JP2019018148A - 分離膜装置の汚損度評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、分離膜の部分的な汚損度を評価することができる分離膜装置の汚損度評価方法を提供することを目的とする。
即ち、本発明の第一態様に係る分離膜装置の汚損度評価方法は、水が通過する分離膜を有する分離膜装置の汚損度評価方法であって、前記分離膜内の水が存在する部分的な測定領域に静磁場を印加する静磁場印加工程、前記静磁場を印加させた状態で前記測定領域に前記静磁場に直交する高周波磁場パルスを印加する高周波磁場パルス印加工程、及び、前記高周波磁場パルスによる横磁化の信号強度を検出する信号強度検出工程と、を含むデータ取得工程と、前記信号強度に基づく値により、前記分離膜の部分的な汚損度を評価する評価工程と、を含む。
即ち、固体の内方に位置する水(結合水)は、水分子の動きが制限されているため、水素の自由度が小さい。そのため、高周波磁場パルスにより与えられたエネルギーが消失し易い。
したがって、緩和時間の長短は、水分子が汚損物質としての固体に取り囲まれているか否かを判断する材料となる。たとえば多孔質な膜の場合、汚損が進行すると空隙が固定で充填されるため該空隙のサイズが小さくなる。そのため、空隙中の水分子は、周囲を固体に取り囲まれた状態となり、水分子の動きが低下する。その結果、水分子の水素原子核の横緩和時間が短くなる。即ち、緩和時間が長い程、汚損度は低く、横緩和時間が短い程、汚損度は高い。よって、緩和時間を指標とすることで汚損度を評価することができる。
緩和時間としては、信号強度の時系列から得られる緩和曲線の時定数である横緩和時間や、緩和曲線が定常状態に落ち着くまでの時間を採用することができる。
ここで、流通状態で分離膜の汚損度が低い場合には、分離膜を円滑に水が透過するため、測定領域から横磁化された水が出て行き易い。そのため、信号強度比は比較的小さな値を示す。一方、分離膜の汚損度が高い場合には、分離膜を水が透過し難いため、横磁化された水は出て行きにくい。よって信号強度比は比較的大きな値を示す。したがって、よって、信号強度比を指標とすることで汚損度を評価することができる。
本実施形態の汚損度評価方法の対象となる逆浸透膜装置1は、分離膜装置の一種であって、供給される原水W1を透過水W2と濃縮水W3とに分離させて排出する装置である。逆浸透膜装置1は、図1及び図2に示すように、ハウジング2、中管6、膜モジュール7を備えている。
外筒3は、水平方向に沿う軸線Oを中心として延びる円筒状をなす部材である。
第一蓋部4は、外筒3の軸線O方向一方側(図1における左側)を閉塞する円盤状をなしている。第一蓋部4の中央には軸線Oを中心して第一蓋部4を軸線O方向に貫通する原水導入孔4aが形成されている。第一蓋部4の原水導入孔4aよりも径方向外側の部分(本実施形態では原水導入孔4aの下方の部分)には、該第一蓋部4を軸線O方向に貫通する透過水排出孔4bが形成されている。
データ取得工程S1は、図1及び図2に示す核磁気共鳴スキャナ10を用いて逆浸透膜装置1の外部から評価に必要なデータを取得する工程である。ここで、核磁気共鳴スキャナ10の構成について、図4及び図5を用いて詳細に説明する。
静磁場印加部20は、円筒型永久磁石21と円柱型永久磁石22を有している。
円筒型永久磁石21は、円筒状をなす永久磁石であって、該円筒状の一方の端面である円筒第一端面21aがN極、他方の端面である円筒第二端面21bがS極となるように磁化している。以下では、円筒型永久磁石21の中心軸線に平行な方向であって該円筒型永久磁石21のN極側を+、S極側を−とする軸をZ軸方向とする。また、Z軸方向に直交し、かつ互いに直交する一対の軸をそれぞれX軸方向と、Y軸方向とする。
第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32は、静磁場印加部20の円筒型永久磁石21からZ軸の+側に離間した箇所に互いに隣接するように配置されている。第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32は、Z軸方向から見てX軸方向を長手方向とし、Y軸方向を短手方向とした互いに同様の矩形状をなすように巻回されたコイルである。第一高周波コイル31は、Z軸からY軸の−側にずれた第一コイル軸線O1回りに巻回されている。第二高周波コイル32は、Z軸からY軸の+側にずれた第二コイル軸線O2回りに巻回されている。第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32は、Z軸方向から見て互いにY軸方向に隣り合うように配置されており、長手方向に沿う部分がY軸方向に互いに対向している。
また、第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32には、電源供給装置による交流電流が非供給の際には、外部磁場の変化(緩和しつつある水素原子核磁化ベクトルの回転運動)により交流電圧が誘起され、これにより生成される交流電流を出力する。
なお、静磁場印加部20及び高周波磁場パルス印加部30は、図1及び2に示すように、例えば非磁性体からなるケース40内に収容されている。核磁気共鳴スキャナ10は、当該ケース40におけるZ軸の+側を向く面が、測定面とされている。
具体的には、核磁気共鳴スキャナ10における高周波磁場パルス印加部30の第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32にパルス状の交流電流が供給する。これにより、第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32から、測定領域Sに対してY軸方向の高周波磁場パルスが印加される。なお、高周波磁場パルスとしては、ラジオ波磁場パルス(RFパルス)が印加される。また、高周波磁場パルスの周波数、即ち、交流電流の周波数は、水素原子(プロトン)の歳差運動周波数(ラーモア周波数)と一致する値とする。
なお、高周波磁場パルスの印加手法としては、例えば例えば、Solid Echo法、CPMG(Curr Purcel Meiboom Gill)法及びHahn Echo法等の既知の手法を用いることができる。
即ち、高周波磁場パルスを測定領域Sに印加すると、測定領域Sの水に基づくプロトンのZ軸方向の磁化がY軸方向に例えば90°フリップ角をなして倒れる。そして、高周波磁場パルスの印加が停止されると、プロトンの磁化は元の状態、即ち、Z軸方向の静磁場にみによって磁化された状態に戻っていく。信号強度検出工程S13では、この際に放出されるエネルギーを検出する。具体的には、プロトンの回転磁界により第一高周波コイル31、第二高周波コイル32に誘起された交流電圧に基づく交流電流を、横磁化(Z軸方向に直交するY軸方向の磁化)の信号強度として検出する。即ち、第一高周波コイル31及び第二高周波コイル32は、高周波磁場パルスを印加する役割に加えて、当該高周波磁場パルスによって生じる核磁気共鳴信号の信号強度を検出する役割といった、励起及び検出の二つの役割を有する。
一方、CPMG法で行う場合には、90°パルスを与えた後に、プロトンのフリップ角が180°になる180°パルスを与える。その後、180°パルスを繰り返し与え、その度に横磁化の信号強度の最大値を記録する。これによって得られた信号強度の減衰から緩和曲線を取得し、続いて横緩和時間T2を取得する。
ここで、逆浸透膜7aの水が汚損している程、測定領域Sの横緩和時間T2は小さくなる傾向がある。水分子は水素原子(プロトン)が磁気モーメントを持つことで水分子全体が磁化される。この水分子の磁化は当該水分子が固体に取り囲まれている程、緩和し易い。
よって、固体の内方に位置する水(結合水)は、水分子の動きが制限されているため、水素の自由度が小さい。そのため、高周波磁場パルスにより与えられたエネルギーが消失し易い。一方で、固体の外部に位置する自由水は、水分子の動きが制限されないため、水素の自由度が大きく、エネルギーが消失し難い。
即ち、汚損度が高いと測定領域Sの中にゴミが溜まり、体積含水率が低下する。そのため、信号強度も低下する。そして、空隙サイズが小さくなるので、横緩和時間T2も短くなる。
測定領域Sの縦幅X≒透過水W2の流速V×高周波磁場パルス印加後に測定領域からの信号強度が定常状態になるまでの時間T …(1)
本変形例では測定領域Sの縦幅が上記(1)式の関係で設定されている。汚損度が0の場合には、特定の時間経過後には測定領域Sの全ての横磁化された水が出ていく。一方、汚損後が高い場合には、水が逆浸透膜7aを透過し難くなる結果、特定の時間経過後であっても横磁化された水が存在する。したがって、この場合、信号強度が定常状態になるまでの時間は大きくなる。この関係を利用することで、信号強度が定常状態になるまでの時間を横緩和時間T2として、上記同様、汚損度を評価することができる。即ち、当該緩和時間を指標とすることで、横磁化の緩和と測定領域Sからの流出との双方を加味した評価を行うことができる。
第二実施形態の逆浸透膜装置1の評価方法は、図9に示すように、異なる状態でのデータ取得工程S1A,S1B、信号強度比取得工程S20及び評価工程S30を含む。
そして、データ取得工程S1A,S1Bでは、第一実施形態同様の静磁場印加工程S11、高周波磁場パルス印加工程S12及び信号強度検出工程S13を行うことで、各状態における横磁化の信号強度を取得する。
静止状態の信号強度、流通状態の信号強度は、図6に示す波形と同様に減衰する。よって緩和曲線は時間とともに徐々に減衰するカーブとなる。信号強度比を取得する際に用いる静止状態及び流通状態の信号強度は、それぞれ高周波磁場パルスを印加後、同一の時間が経過した時点における信号強度を採用することが好ましい。
ここで、図10に異なる汚損度における流速と信号強度比との関係のグラフを示す。当該グラフからわかるように、汚損度が小さい場合には、流速が大きくなるにしたがって信号強度比は大きく低下するのに対して、汚損度が大きい場合には、流速の増加による信号強度比の低下は小さい。
よって、信号強度比と汚損度には、図11に示すように互いに相関関係がある。そのため、信号強度比を指標として膜モジュール7の汚損度を評価することができる。
以上から、第二実施形態の評価方法も第一実施形態同様、膜モジュール7の部分的な汚損度を評価することが可能となる。
例えば図12に示すように、変形例の核磁気共鳴スキャナ10Aとして、長尺状をなすファイバの先端11に、実施形態と同様の静磁場印加部20及び高周波磁場パルス印加部30を設けたものを採用してもよい。この場合、ファイバの先端11を狭い場所に挿入することで、逆浸透膜7aのより部分的なデータを取得することができる。
また、実施形態では、測定領域Sを膜モジュール7内に設定したが、例えば、該膜モジュール7を通過した水が流れる領域、即ち、外筒3の内周面と膜モジュール7の外周面との間の領域に設定してもよい。この場合、測定領域Sは逆浸透膜装置1の外部から比較的近接した位置となる。そのために測定領域Sを形成する静磁場印加部20の磁力を小さくすることができる。よって、例えば静磁場印加部20を構成する永久磁石の小型化を図れるといったメリットがある。
また、膜モジュール7はいわゆるスパイラル状に限られず、他の形態のものであってもよい。
2 ハウジング
3 外筒
4 第一蓋部
4a 原水導入孔
4b 透過水排出孔
5 第二蓋部
5a 濃縮水排出孔
5b 透過水排出孔
6 中管
6a 孔部
7 膜モジュール
7a 逆浸透膜(分離膜)
10 核磁気共鳴スキャナ
10A 核磁気共鳴スキャナ
11 ファイバの先端
20 静磁場印加部
21 円筒型永久磁石
21a 円筒第一端面
21b 円筒第二端面
22 円柱型永久磁石
22a 円柱第一端面
22b 円柱第二端面
30 高周波磁場パルス印加部
31 第一高周波コイル
32 第二高周波コイル
40 ケース
S1 データ取得工程
S1A データ取得工程
S1B データ取得工程
S11 静磁場印加工程
S12 高周波磁場パルス印加工程
S13 信号強度検出工程
S2 緩和時間取得工程
S20 信号強度比取得工程
S3 評価工程
S30 評価工程
W1 原水
W2 透過水
W3 濃縮水
S 測定領域
O 軸線
O1 第一コイル軸線
O2 第二コイル軸線
T2 横緩和時間
Claims (4)
- 水が通過する分離膜を有する分離膜装置の汚損度評価方法であって、
前記分離膜装置における前記水が存在する部分的な測定領域に静磁場を印加する静磁場印加工程、前記静磁場を印加させた状態で前記測定領域に前記静磁場に直交する高周波磁場パルスを印加する高周波磁場パルス印加工程、及び、前記高周波磁場パルスによる横磁化の信号強度を検出する信号強度検出工程と、を含むデータ取得工程と、
前記信号強度に基づく値により、前記分離膜装置の部分的な汚損度を評価する評価工程と、
を含む分離膜装置の汚損度評価方法。 - 前記信号強度の時間変化から、緩和時間を取得する緩和時間取得工程をさらに含み、
前記評価工程は、前記緩和時間を指標として、前記分離膜の汚損度を評価する請求項1に記載の分離膜装置の汚損度評価方法。 - 前記データ取得工程は、前記分離膜内で水の流速がない静止状態と、前記分離膜内で水が流通している流通状態とで同一の前記測定領域で実行され、
前記静止状態の前記信号強度に対する前記流通状態の前記信号強度の比である信号強度比を取得する信号強度比取得工程をさらに含み、
前記評価工程は、前記信号強度比を指標として、前記分離膜の汚損度を評価する請求項1に記載の分離膜装置の汚損度評価方法。 - 前記データ取得工程は、
前記静磁場を印加可能な静磁場印加部及び該静磁場印加部の外方に設けられて前記高周波磁場パルスを印加可能な高周波コイルを備えるとともに、前記測定領域が前記静磁場印加部から見て高周波コイルよりもさらに外方に設定された核磁気共鳴スキャナを用いて行われる請求項1から3のいずれか一項に記載の分離膜装置の汚損度評価方法。
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