JP2020520804A - 膜モジュールの監視 - Google Patents

Abstract

水処理プラントに使用されているなどの螺旋状に巻かれた膜モジュールの汚れの程度は、膜のラップ間に配設された１つ又は複数のセンサを使用して監視される場合がある。センサは、電極を含めて、ツーパート計算デバイスに信号を伝達する場合がある。第１の部分は、膜モジュールがその中に配設される圧力容器の内側に位置する。第１の部分は、入力信号及び電力をセンサに提供し、センサ信号を受容する。第２の部分は、圧力容器の外側に位置し、誘導結合を介して第１の部分に電力を伝達する。第２の部分は、第１の部分からセンサ信号を無線で受容し、膜モジュールの汚れの程度を決定するために信号を処理する。

Description

本発明は、螺旋状に巻かれた膜モジュールに関し、より詳細には、それらの動作性能を評価するためのそういったモジュールの原位置での監視に関する。本発明は、そのように評価されることのできるモジュールと、そういったモジュールが設置されるプラントを稼動する方法と、の双方に及ぶ。

螺旋状に巻かれた膜モジュールは、廃水の浄化処理、海水及び淡海水の脱塩のための業界標準となっている。この構成では、膜の大きなエリアは、小さい体積にパッケージされる。業界は、これらの膜モジュールの標準化された直径及び長さを有し、激しい競争がＨｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ、東レ、ＧＥ、ＤＯＷ、及び他社を含む製造業者間に存在する。

膜モジュールの操作は、膜貫通圧力（ＴＭＰ）、モジュールを含む圧力容器に沿った縦方向の圧力降下（差圧、ＤＰ）、膜を通る水の流量、回収率、並びに、粒子及び生体物質を除去するための供給水の前処理の慎重な制御を必要とする。

膜の汚れ
しかしながら、慎重な制御にもかかわらず、膜は、経時的に劣化するようになり、性能及び塩拒絶（ｓａｌｔ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）は、処理で低下することがあり、膜汚れと呼ばれる。膜汚れは、無機、有機、生物付着、又はそれらの組み合わせである場合がある。全ての汚れ工程は、濃度分極と呼ばれる工程に起源があり、それは供給から膜を通して水を除去する必然的な結果である。濃度分極は、浸透圧に大きく寄与する表面での塩濃度の蓄積を含み、また、膜を通る所与の水流量を維持するために、増加された液圧を必要とする。

膜表面に沿ったクロスフローは、この物質の蓄積を減らすように設計されているが、膜の表面の濃度分極は、残って、また、膜流量が高レベルに維持されるときに、表面の固体無機又は有機物質の凝集（ケーキの形成）と、細菌の付着及び最終的な増殖と、を引き起こす場合がある。汚れた膜は、定置洗浄（ＣＩＰ）と呼ばれる工程で強力な化学薬品を使用してモジュールの洗浄を必要とする。これは、ＣＩＰを実行されているモジュールトレインをオフラインにして、その後に再度オンラインにする前にリンス処理することを必要とする。化学洗浄は、膜の損傷も引き起こし、最終的に膜の交換を必要とする。典型的には、およそ５から１５％のモジュールは、そういった損傷から又は不可逆的な汚れから１年ごとの交換を必要とする。

操作に関連する主要な物理的パラメータ
動作性能に関連する幾つかの膜パラメータは、現在のところ直接測定することができない。測定された殆ど全ての動作パラメータは、幾つかのモジュールの平均である。単一の圧力容器では、１から７個の直列のモジュールのどこからでも存在することがあり、圧力（ＴＭＰ及びＤＰ）、温度、塩拒絶及び液圧抵抗は、パラメータが、個別のモジュール／膜レベルではなく、流路全体について測定されるので、セット全体のための平均としてだけ取得される。

更に、濃度分極或いは膜汚れの程度及び性質を測定できる商用に利用可能な方法は、存在しない。ここで理解されるべきことは、マルチモジュールシステムでは、供給端部での先頭モジュールが、一般に最も生物付着する傾向にあり、他方、拒絶端部での最後の尾部モジュールが、最もスケーリング（不溶性カルシウム塩の蓄積）の傾向にある、ということであろう。従って、シリーズ内の異なったモジュールは、汚れの異なった形態によって影響を及ぼされる場合がある。

一般に典型的なプラントの監視は、次のパラメータの幾つか又は殆どの取得と問い合わせを含むであろう。
供給圧力
透過液圧力
拒絶圧力
供給流量
透過液流量（ｍ２あたり＝流量）
拒絶流量
供給導電率
透過液導電率
拒絶導電率
温度
供給のｐＨ
透過液のｐＨ

留意すべきことに、これらの幾つかが他の測定値から演繹できる（例えば、拒絶流れ＝供給流れ−透過液流れ）ので、全てのパラメータを取得するためにこれらの全てが測定される必要はない。

先行技術のシステムでは、これらのパラメータの全ては、関連するセンサを包含する圧力容器の開始時及び終了時の流れストリームの内部で測定される。

特許出願第ＷＯ２０１６１７１６２９（Ａ１）号 国際特許出願第ＰＣＴ／ＡＵ２００７／０００８３０号

本発明の１つの態様によれば、提供されるのは膜モジュールであって、供給流れを受容するための入口と、透過液流れが通過する透過液出口と、使用時に透過液が通過する透過液出口から入口を分離する膜と、モジュールに実装された少なくとも１つのパラメータ測定センサと、少なくとも１つのパラメータ測定センサに動作可能に接続された少なくとも１つの処理デバイスと、を含み、少なくとも１つの処理デバイスは、少なくとも１つのパラメータ測定センサから信号を取得するためにプログラムされる。

好ましくは、膜は、螺旋状に巻かれた膜であり、センサは、膜のラップ間に位置する。好ましくは、異なったパラメータを検知する複数のセンサが存在する。本発明の１つの好適な形態では、各モジュール用の２つのセンサ対が存在する。

好ましくは、各センサは、上記モジュールに実装された通信デバイスと電子通信を行う。通信デバイスは、２つの部分で形成されることがあり、第１の部分は、モジュールの内部に位置し、第２の部分は、モジュールの外に位置し、第１及び第２の部分は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又は他の無線通信を互いに行う。好ましくは、電力は、誘導電力伝達を使用してセンサ及び通信デバイスの第１の部分に提供される。２つの部分は、互いに対してユニットを位置させる手段を提供するために、磁石を使用して互いに整列されることがある。

本発明は、そういったモジュールのバンクを有するプラント内の膜モジュールの汚れの程度を監視する方法に及び、それに実装された少なくとも１つのセンサを有する膜モジュールを上記バンク内に位置させるステップと、プラントを運転するステップと、連続的に或いは規則正しい基準でセンサに問い合わせるステップと、上記問い合わせの結果を計算デバイスと通信するステップと、こうして監視されている膜モジュールの汚れの程度を評価するために計算デバイスを使用するステップと、を含む。好ましくは、方法は、個々がそれに実装された少なくとも１つのセンサを有する複数の膜モジュールを上記バンク内の異なった位置に実装することに及び、上記モジュールの個々は、上記計算デバイスと通信する。

本発明の１つの態様によれば、提供されるのは、膜モジュールのバンクを有する水処理プラント内の汚れの程度を監視するための方法であって、それに実装された少なくとも１つのセンサを有する少なくとも１つの膜モジュールを上記バンク内に位置させるステップと、水処理プラントを運転するステップと、センサ信号を取得するために少なくとも１つのセンサに問い合わせるステップと、センサ信号を少なくとも１つの計算デバイスと通信するステップと、少なくとも１つの膜モジュールの汚れの程度を評価するために計算デバイスを使用するステップと、を含む。

本発明の１つの態様によれば、提供されるのは、水処理プラントであって、少なくとも１つの圧力容器と、少なくとも１つの圧力容器の内部に配設された複数の膜モジュールと、を含む。膜モジュールの１つ又は複数は、供給流れを受容するための入口と、透過液流れが通過する透過液出口と、使用時に透過液が通過する透過液出口から入口を分離する膜と、モジュールに実装された少なくとも１つのパラメータ測定センサと、少なくとも１つのパラメータ測定センサに動作可能に接続された少なくとも１つの処理デバイスと、を含み、少なくとも１つの処理デバイスは、少なくとも１つのパラメータ測定センサから信号を取得するためにプログラムされる。

本発明のこれらや更なる特徴は、この下に続く詳細な説明から明らかにされるであろう。説明では、参照は、添付の図面について行われるが、図面に示された特定の特徴は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

説明では、参照は、以下の図面について行われる。

螺旋状に巻かれた膜に対するセンサの配置を示す、部分的に切り取られた膜モジュールの斜視図である。 螺旋状に巻かれた膜を囲む圧力モジュールに対するツーパート通信デバイスの配置を示す、モジュールの単純化された断面端面図である。 ツーパート通信デバイス及びそれの構成要素の概略図である。 通信デバイスに接続するための接続ワイヤを備えた膜モジュールに使用するのに適した回路センサを示す図である。 膜の２つの側の電極の好適な場所を示す図である。 通信デバイスが使用時に実装されるであろう入れ子防止端部キャップ（入れ子防止デバイス、ＡＴＤ）を示す図である。 接続リードの上の絶縁マスクを描く図４と同様の回路センサを示す図である。

逆浸透プラントで使用され得るような典型的な脱塩モジュール１０は、図面に描かれている。この型の脱塩モジュールは、中央の穿孔された透過液管１２を含み、そのまわりには、膜組立体１４が螺旋状に巻かれている。膜組立体１４は、透過液がモジュールをその入口側１６から出口１８まで通過するのを可能にするために設計された一連のシートを含む。２つの隣接する膜シートは、透過液が中央の透過液管１２に向けて内側に螺旋状に移動するのを可能にするスペーサ布によって、透過液側で互いに分離される。膜組立体１４は、完全なモジュール２７を形成するために、繊維ガラスジャケットの中に入れられる。

一般に、幾つかのそういったモジュールは、端と端が直列に連結され、第１のモジュールの出口１８は、第２のモジュールの透過管に連結され、濃縮物流体は、第２のモジュールの入口側に流れ込むであろう。膜は、例えば、非常に薄い（１ミクロン）より高密度の活性層でコーティングされた半多孔性ポリスルホンの薄い（２００ミクロン）シートであることがある。この活性層は、供給側に面する。多くの異なった膜組成物は、使用中に存在し、それらの構成の詳細は、一般に商業的な信頼の形で維持されている。膜組立体１４は、透過液スペーサシート２２、並びに、供給水及び濃縮物スペーサシート２１によって隔置された２０以上の膜シートを含むことがある。透過液シート２２は、透過液流を透過液管１２に向けて内側に方向付けするために設計され、供給水スペーサシート２１は、拒絶供給水（膜によって拒絶される塩及び他の材料のより高い割合を含む）を、モジュールの長さに沿って、そのモジュールで更なる処理のために次のモジュールに向けて内側に螺旋状に、方向付けする。膜組立体は、図６に最もよく示された入れ子防止端部キャップ（ＡＴＤｓ）２８が適合された圧力容器２６の内部に収容されるであろう。圧力容器２６は、多くの場合ガラス強化樹脂で製造されるが、廃水処理プラントでの約６〜８バールから高塩分脱塩プラントでの約６０〜８０バールの高さにまでなる場合がある内部圧力に耐えるために設計される。脱塩モジュール１０の構造及び形態は、当技術分野でよく知られており、本明細書でより詳細に議論される必要はない。

上で述べられたように、先行技術の脱塩モジュールにとって問題であるのは、モジュールの状態の正確な決定を可能にするために、流れの様々なパラメータを正確に測定することである。この課題の争い役立つために、センサ配置構成は、モジュールの内部に設けられることがある。図１に示されたように、センサ３０は、膜組立体１４のシート間に実装される。図１に示された実例では、センサ３０は、電子センサ３２及び圧力センサ３４を含む。センサは、その実例が図４に示されているが、モジュールの端部キャップ（ＡＴＤ）２８に実装された電子センサ処理及び通信デバイス３６に電気的に接続される。センサ及び通信デバイス３６は、下でより詳細に議論される。

幾つかのセンサ技術は、そういったモジュールのために状態に関連する状態及び／又は最適な動作パラメータの現位置でのオンライン監視を提供するために、螺旋状に巻かれた膜モジュールに合致するように適合される場合がある。そういったセンサの目的は、螺旋状に巻かれた膜組立体の内部の膜状態及び流体状態を監視することである。

これは、動作パラメータを変更するための要件を示したり膜洗浄及び／又は膜交換が必要とされる時期を評価する等々のために、これらのモジュールが個別に監視されるのを可能にする。通信デバイスは、センサによって評価された状態を外部のコンピュータデバイスに通信する内蔵式電子機器を含む。

１つの実施例では、センサ処理及び通信デバイス３６は、２つの部分、圧力容器の内部に位置する内部部分３８と、圧力容器の外部に位置する外部部分４０と、を含む。２つの部分３８及び４０は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、近距離通信プロトコル、又は、圧力容器の壁を通る他の無線方法を介して、互いに通信し、こうして、圧力容器の完全性に妥協しない。特化した電子機器は、開発されてきて、電気信号及び応答が測定されるのを可能にした。図３及び４は、概略の形態で示された通信プロトコルの好適な形態を描いている。示されたように、外部部分４０は、数字４２で示されたように、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、又は他の無線方法を介して、内部部分と通信する。電力は、数字４４で示されたような誘導電力伝送を介して外部部分に供給される。外部部分４０はまた、数字４６で示されるようにＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ又は他の無線方法或いは有線接続のいずれかを介して、ラップトップコンピュータなどの外部計算デバイスと通信することができる。外部計算デバイスへの接続は、プラントが遠隔地から監視されるのを可能にするために、クラウド接続を介して行われる場合もある。

外部部分４０は、ラズベリーパイマシンなどの小型マイクロコンピュータを組み込むことがある。これらのデバイスは、商業上入手可能であり、また、ハウジング内部のプロセッサ、メモリ（プログラム実行用のストレージメモリ及びランダムアクセスメモリの双方）、通信モジュール、通信ポート（例えば、ＵＳＢ）等々を含む。機械４０は、主要ターミナル又はバッテリ供給源などの外部電力供給源に接続されることがある。ラズベリーパイマシン又は他の同様の小型計算ユニットは、本実施例で使用するために容易にプログラム及び修正されることがある。

センサ３０の実施例は、図面の図４に示される。センサ３０は、可撓性で電気的絶縁性の基質５４上に製造されたセンサ技術５２を有して示されており、また、通信デバイス３６の内部部分３８にセンサを電気的に接続するための絶縁ワイヤ５６を具備する。

上で述べられたように、図２に示されたような通信デバイスは、図面の図６により詳細に示された入れ子防止端部キャップＡＴＤ２８の内部に又はそれに実装されるのが好ましい。端部キャップＡＴＤ２８は、内部部分３８がその中に収容されるであろう内部キャビティ２９を具備する。明らかに、キャビティ２９の形状及び位置は、内部部分３８の形状及びサイズに依存するであろう。上で述べられたように、外部部分４０は、２つの部品が、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、又は他の無線通信を互いに行い得るように、内部部分に隣接して並列位置決めされるであろう。

内部電子機器に必要とされる電力は、圧力容器の外側に位置するコイルからの誘導によってユニットに伝達される電力によって再充電される充電式バッテリによって供給される。この外部ユニットは、データから様々なパラメータを抽出し、ＷｉＦｉを介してクラウドベースのデータベース又はローカルコンピュータに直接伝達するための更なる電子機器及びソフトウェアも含む。

作動のために、内部電子機器ユニット及び外部デバイスは、近くに並列位置決めされるべきである。これを容易にするために、内部ユニットは、小さい希土類磁石４１が適合され、外部ユニットは、外部ユニットに対して内部ユニットを位置させるために、内部磁石を検出するためのホール効果、磁石、又は他のデバイスが適合される。ＬＥＤは、ユニットが正しく位置決めされデータ取得接続が確立されたときにそれを示すであろう。代替的に、最適な場所は、誘導電力伝送を監視すること及び最大電力伝送のための位置を調整することによって、決定される場合がある。

次の型のセンサは、膜組立体の内部に適合される場合がある。

電気インピーダンス分光法（ＥＩＳ）
これは、無機ケーキ形成及び生物付着を含む汚れを検出するために、膜表面の直接監視を可能にし、また、ＴＭＰ、ＤＰ又は塩拒絶に対するこれらの影響の前に、これらが発生し始めるしきい値を決定的に可能にする。ＥＩＳ技術は、公開された特許出願第ＷＯ２０１６１７１６２９（Ａ１）号（Ｃｏｓｔｅｒら）により完全に説明されており、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。インピーダンス測定を行う目的で、小さい交流電流は、膜又は膜のパッチを通過させられ（以下、刺激と呼ぶ）、膜を横切って展開された電位（以下、応答と呼ぶ）並びに刺激信号及び応答信号の間の位相差は、測定される。これは、膜モジュールの内側に適合される電極によって実現されることがある。

本発明の１つの好適な実施例では、螺旋状に巻かれた膜モジュールは、膜の２つの向かい合う側のスペーサ布に隣接して位置する電極が適合される。この構成では、電極は、一方の側の供給スペーサ布と、他方の側の透過液スペーサ布と、によって膜から分離される。電気インピーダンス測定の１つの適切な「４端子法」は、Ｃｏｓｔｅｒ及びＣｈｉｌｃｏｔｔによる「Ａ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」という名称の国際特許出願第ＰＣＴ／ＡＵ２００７／０００８３０号に教示されており、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。この４端子法では、刺激交流電流３９は、膜の両側の２つの電極を使用して膜を通過させられ、膜を横切って展開された電圧応答は、膜の両側の２つの別個の電極を使用して測定される。そういった４端子法を使用する１つの利点は、電極自体の汚れが、膜インピーダンスの測定に著しい程度の影響を何ら与えない、ということであろう。別の利点は、４端子測定の使用が、測定された合計インピーダンスから電極−溶液の界面のインピーダンスを除去する、ということである。

別の代替的な実施例では、２つの電極だけが、膜の各側に１つずつ、スペーサ布に埋め込まれる。インピーダンス測定は、その後に、刺激信号を注入して応答を測定するために、同じペアの電極を使用して行われる場合がある。一般的に言えば、この方法は、汚れや他の要因からの干渉にもっと晒される可能性があるという比較的不利な点を有するが、デバイスの製造が、より簡単に且つより安価にすることができる。

供給及び透過液の導電率
適切な電極を使用して、膜間の狭い供給空間及び透過空間の電気導電率は、そのモジュールのために直接測定される場合がある。これから、塩拒絶は、得られる場合がある。空間の制限は、そういった導電率測定を行うために使用される電極が小さくなることを要求し、従って、導電率測定を行う「４端子」方法は、上で説明されたように、好適である。しかしながら、２端子法を含む他の方法は、利用されることがある。４端子法は、２つの電極５５に、適切な周波数の小さい交流刺激電流が一電極から他電極に通過するのを要求し、２つの個別の電極５７が、流体の電圧応答を測定するために、２つの刺激電流電極の間に位置するのを要求する。これは、電極−溶液界面のインピーダンスに関連する要因を複雑にすることなく、溶液の導電率が決定されるのを可能にする。

供給溶液及び透過液の導電率の測定は、膜による塩拒絶の程度が決定されるのを可能にする。塩拒絶は、膜の汚れが進行するにつれて減少する傾向があり、これは、膜モジュールの性能を監視するための更なる技術を提供する。

温度
他のセンサのための基板を形成する薄いポリマフィルム上に印刷された金属抵抗センサは、膜間の狭いチャネル内の供給流体及び透過流体の両方の温度の直接測定を可能にするであろう。代替的に、透過液及び供給スペーサ布シートに挿入された小さい熱電対は、採用されることがある。逆浸透中での供給溶液からの塩の除去は、温度における上昇を引き起こし、温度差は、行われた局所的な熱力学的仕事の直接測定を提供する。

差圧
膜を横切る圧力降下と、単一の螺旋状に巻かれたモジュールの長さを横切る圧力降下とは、膜の汚れの程度に関する情報を提供する。

ポリマ端部板に組み込まれた圧力センサ（入れ子防止デバイス、ＡＴＤとも呼ばれる）は、単一のモジュールに沿った差圧が直接測定されるのを可能にする。これが役立つのは、膜の葉の間の狭い供給スペーサ内の物質の蓄積を決定することである。

他の可能なセンサ
これらは、ケーキ層の材料特性を測定するための小型ＬＥＤを使用する光学センサ、供給クロスフロー等々を監視するための熱風速計流れ検知を含む場合がある。

センサの特定の形態が本明細書で説明されているが、当業者は、異なったセンサが、膜モジュールの状態を監視するために、利用されることもある、ということを認識するであろう。特に、異なったセンサ型が個別に議論されるが、理解されるであろうことは、複数のパラメータが単一の電極から測定され得るように、電極が、特に、図４及び７に示されたように、複数のセンサ型を含むことがある、ということである。

多点監視
１つの実施例では、電極及びセンサのセットは、螺旋状に巻かれたモジュール内の膜上の４つの分離された点に位置する。これらは、供給及び透過経路の異なった位置に起因する点から点への変動並びに膜特性の局所的な変動の監視を提供する。

モジュール内部の電極の配置は、供給側、排出端等々などの、モジュール内の膜の様々な部分を監視するのを可能にするために設計される場合があり、或いは、モジュールは、モジュール内の様々な場所で膜を監視するために、電極の複数のセットが適合されることがある。

導電率測定は、大きい電極−溶液界面インピーダンスを回避するために、４端子電気測定技術を使用して行われる。実験室規模の機器では、測定は、２端子測定技術を使用して通常行われ、大きい界面インピーダンスは、非常に大きな表面積を有する「プラチナ・ブラック」でコーティングされたプラチナ電極を使用して最小化される。これは、小さい未コーティングの電極が必要とされる膜モジュールにとって選択肢ではない。

電極は、高塩分溶液に一定に曝露されるので、それらは、
塩化物イオンとの反応；
膜の洗浄のために使用されるクエン酸（ｐＨ約２）に対する反応；
膜の化学洗浄に使用される水酸化ナトリウム（ｐＨ１１）；
低濃度のスケール防止剤及び殺生剤；に対して化学的に不活性である必要がある。

小電流が、センサ型にもよるが、電極の一部を介して注入されるので、必要になり得ることは、電極−溶液の界面での電気化学反応に対しても電極が不活性であることである。その点において、銀電極は、そういった反応を受けることが知られている。

しかしながら、ＥＩＳで使用されるようなＡＣ電流の場合、反応は、ＡＣ電流の各半サイクルを逆転するであろうし、従って、銀電極は、ＥＩＳ及び類型のセンサにとって適している場合がある。

電極の実装及び絶縁
モジュール内の膜の層間に電極を挿入する目的のために、電極は、適切なポリマの薄膜に取り付けられる場合がある。このポリマフィルムは、電極の裏側にも絶縁を提供し、前面だけを溶液に晒したままにする。

裏打ちフィルムは、
薄く；
可撓性を有し；
電気的絶縁性を有し；
クエン酸（ｐＨ約２）及び水酸化ナトリウム（ｐＨ１２）（例えば、ポリアミドは適切ではないであろう）で化学的に安定し；
ポリウレタン接着剤によく付着する；べきである。

電極センサの位置決め
図５は、膜モジュールの層内の電極／センサ３０の場所を示す断面図である。図５に示された各電極セットは、４つ又は６つ以上の個別の電極を含むことがあるが、ここでは、１つとして概略的に示される。膜、スペーサ布、及び、電極は、明確にするために別個に示される。実際のモデルでは、シート及びスペーサ布は、共にしっかりと押し進められる。電極は、一対のうちの一方の半分３０Ａが、スペーサ布及び膜の供給側に、他方の半分３０Ｂが、膜及び透過スペーサ布の透過側に、位置決めされる。電極は、介在する供給スペーサ又は透過スペーサ布の他方側のそれらの場所によって監視されている膜から遠くに保持される。これは、監視されている膜パッチを通る流量が害されないことを保証する。

寸法要件
電極が膜モジュールの供給及び透過チャネルに配置されるとき、電極及び裏打ちポリマフィルムの全体の厚さは、可能な限り薄く、例えば、約５０ミクロンに維持されるべきである。

電極／センサパターン
図７は、電極のサンプルパターンを示す。電極は、供給側電極３０Ａ及び透過側電極３０Ｂを含む。各電極は、導電性要素が結合されるポリマ裏打ちフィルム５４上の溶液にさらされる金属又は他の導電性材料のセンサ５２及びＥＩＳ電極５５、５７を含む。電極３０Ａ、３０Ｂは、センサ／ＥＩＳ電極から端子８２に接続する導電性リード５８を含み、端子８２は、その後に、上で説明されたように処理デバイス３６に接続される場合がある。絶縁マスク７６は、リード５８をカバーし、センサ表面５２、ＥＩＳ電極５５、５７及び端子８２を露出させたままにする。

電気的接続
電極端子８２への電気的接続は、非常に薄い平らなケーブルコネクタを介して、シリンダ形膜モジュールの外側表面に沿って配置される場合があり、独自の端部キャップに組み込まれた電子デバイス（入れ子防止デバイス）で終端する。

センサのペア（極）の個々に関して、行われるべき最大１２の接続部が存在し得る。

材料の選択
金
非常に良好な安定性、低い電気抵抗、機械的に柔らかく、はんだ接続を行うのが容易。電極は、「ブロッキング」電極である。化学反応は、電極溶液界面で起こらない。電極−溶液界面インピーダンスは、高くて周波数に依存する。

ステンレス鋼ＳＳ ３１４以上
安価で、比較的安定しているが、金ほど良くない。幾らかの電気的に駆動される酸化反応は、特に、特別に関心のある領域である１００Ｈｚ未満のＡＣ周波数で、金属溶液界面で起こることがある。反応は、電流を非常に小さく維持することによって、最小化されることがある。ステンレス鋼は、機械的に硬い。それは、はんだ接続を行うために、接続ポイントにニッケルめっきを必要とする。

銀電極
銀は、優れた導体であり、銀の薄いシートは、容易に入手できる。塩溶液と接触している銀は、ＡｇＣｌのコーティングを急速に発生させる。後者は、非常に不溶性であり、表面を落ち着かせるように作用する。それにもかかわらず、そういった電極は、金やステンレス鋼よりも化学的に安定しないであろう。

重要な利点は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極の金属溶液界面インピーダンスが、「ブロッキング」電極ではなく「ハーフブロッキング」電極であるという理由で、金やステンレス鋼のインピーダンスよりも非常に小さい、ということであろう。

ハイブリッド金属電極
金メッキ銅電極
銅下敷は、フォトレジスト印刷回路基板技術を使用して製造される場合がある。これは、薄い（５０ミクロン）可撓性回路基板に実行される場合がある。

銅は、比較的不活性な電極を作成するために金メッキされる場合がある。

金コーティングのピン穴は、銅に対する電解質のアクセスを可能にすることがある。これは、金を付着しないままにする、銅を溶解するガルバニック反応をセットアップする。プロセスは、一度開始されると、全ての銅及び金を徐々に除去するであろう。

銀及び炭素／黒鉛印刷電極
電極パターンは、原則的に、導電性インクを使用して、ポリマフィルム上に印刷される場合がある。そういった電極の電気抵抗は、金又は他の金属電極の電気抵抗よりも遥かに高い。銀ベースの導電性インクは、炭素ベースの導電性インクよりも比抵抗が低い。パターンの幾つかの層をリトレースすることによって、抵抗は、機能できるほど十分に低いことがある。

銀導電性インクは、溶液中の塩化物イオンと反応して、溶液にさらされた銀粒子上にＡｇＣｌの膜を形成することがある。

プラント監視
本明細書で説明されるようなセンサを組み込むモジュールは、膜モジュールの状態が監視され得るように、水処理プラントに配備される場合がある。埋め込まれたセンサから得られる信号は、そういったモジュールのバンクを有するプラント内の膜モジュールの汚れの程度を示す場合がある。プラントが稼働している場合、センサは、継続的に、規則的な方式で、又は、外部トリガに応答して、問い合わせされる場合がある。センサ信号は、センサモジュールの状態を決定するために、処理デバイス３６で処理される場合がある。例えば、処理デバイスは、モジュールの現在の状態を、新品又はきれいなモジュール、汚れたモジュール等々などの判明した状態と、比較するために使用できる比較データを記憶することがある。代替的又は追加的に、処理デバイスは、利用可能なパラメータ値（例えば、圧力、温度、導電率）から、メンテナンス手順が実行されるべきか否かを計算するアルゴリズムを記憶及び実行することがある。

分析の結果は、モジュール交換サイクル、モジュール改修サイクル、及び、モジュール洗浄サイクルのうちの１つ又は複数を修正するために、使用される場合があり、或いは、プラントで引き受けるべき他の活動を示すことがある。

代替的な実施例では、処理及び通信デバイス３６は、単にセンサ信号を受信及び融合し、更なる処理のために、センサ信号を追加の外部計算デバイス（図示せず）に通信することがある。

１つの実施例では、処理及び通信デバイス３６は、埋め込まれた電極を使用して検知及び分析ルーチンを実行するためにプログラムされることがある。１つの特定の実施例では、処理デバイス３６は、ＥＩＳ分析ルーチンを実行することがあり、波形は、電極のＥＩＳ端子に提供され、周波数依存応答は、取得される。周波数依存応答は、処理デバイス３６内で分析されるか又は追加の監視デバイス（図示せず）に通信される場合がある。周波数依存応答は、監視されている膜の汚れ、塩汚染等々のレベルを決定するために、ベースライン又は同様のものと比較されることがある。周波数依存応答は、汚れの程度を示す導電率値を計算するために使用されることがある。分析は、温度や圧力などの追加のセンサ信号と組合せされることもあるが、プラントで実行されるべき１つ又は複数のメンテナンス動作を決定するために使用されることがある。

マルチモジュール監視
モジュールトレインの供給端部での動作条件が拒絶端部と非常に異なるという理由で、センサモジュールは、所与のトレインの両端部での状態を監視するために、これらの２つの場所に適合される場合がある。供給端部は、より生物付着し易く、他方、拒絶端部は、よりスケーリングし易い。状況によっては、これらのモジュールは、監視によって示された場合に、圧力容器内のモジュールの残部が所定の位置で洗浄（ＣＩＰ）にさらされることを必要とせずに、取り外されて交換される場合がある。取り外されたモジュールは、その後に、後の再利用のために個別に洗浄されて、洗浄の費用を大幅に減少させる場合がある。これは、ＣＩＰのためのダウンタイム及び化学物質要件も削減するであろう。

圧力容器内の全てのモジュールは、センサが適合される場合があり、モジュール全部の変更を必要とせずに、洗浄や交換を要する問題のモジュールをピンポイント指示することが可能になるであろう。マルチモジュールのセンサは、単一の処理デバイス３６に又は複数の処理デバイス３６に接続されることがある。

個々のモジュールを監視する意図は、電力を削減し、ＣＩＰを削減し、モジュールの寿命を増加させ、ダウンタイムを減少させるために、プラントの動作パラメータを最適化する直接的な方法を提供することである。新しいプラントでは、これは、プラントの費用における大幅な節約をもたらす場合があり、その理由は、最適な動作の監視及び正確な監視が、容量の要求が削減されることを意味するからであろう。

供給及び透過チャネルで直接、膜の間の狭いスペース（布スペーサ材料を含む）内で導電率を測定することによって、流体での塩拒絶の程度のより正確な決定は、得られる場合がある。これに必要な電極及びセンサは、測定されている膜の流れパターンと干渉せずに、狭い供給チャネル内に配置されるのを可能にするために、特別な特質を有する。

実施例の変形例は、本発明の範囲から逸脱せずに、行われることがある。勿論、異なったプラント構成に関して、異なったモジュールが存在するであろう。本発明の１つの利点は、原位置で監視する装置を適合させることが、プラントが何らかの重要なやり方で修正される必要があることを意味しない、ということである。既存のモジュールは、簡単に取り替えられ、監視モジュールと交換される場合があり、プラントは、その後に数分たらずで再度稼働するであろう。

Claims (25)

1. 膜モジュールであって、
   供給流れを受容するための入口と、
   透過液流れが通過する透過液出口と、
   使用時に透過液が通過する前記透過液出口から前記入口を分離する膜と、
   前記モジュールに実装された少なくとも１つのパラメータ測定センサと、
   前記少なくとも１つのパラメータ測定センサに動作可能に接続された少なくとも１つの処理デバイスと、を含み、
   前記少なくとも１つの処理デバイスは、前記少なくとも１つのパラメータ測定センサから信号を取得するためにプログラムされる、膜モジュール。
2. 前記膜モジュールは、前記透過液出口の方に延びる穿孔された収集管のまわりに巻かれた螺旋状に巻かれた膜を含み、前記少なくとも１つのパラメータ測定センサは、前記螺旋状に巻かれた膜のラップ間に配設される、請求項１に記載の膜モジュール。
3. 前記少なくとも１つのパラメータ測定センサは、１つ又は複数の薄いフィルム電極を含む、請求項２に記載の膜モジュール。
4. 前記少なくとも１つのパラメータ測定センサは、前記膜の第１の側に配設された第１の電極と、前記膜の第２の側に配設された第２の電極と、を含む少なくとも１つの電極対を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の膜モジュール。
5. 前記膜の前記第１の側の供給スペーサ層と、前記膜の前記第２の側の透過液スペーサ層と、を含み、前記供給スペーサ層、前記膜、及び、前記透過液スペーサ層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設される、請求項４に記載の膜モジュール。
6. 前記少なくとも１つのパラメータ測定センサは、電気インピーダンス分光法を実行するための少なくとも１つの電極セットを含む、請求項１から５までのいずれか一項に記載の膜モジュール。
7. 前記膜モジュールは、圧力容器の内部に配設されるように構成され、前記少なくとも１つの処理デバイスは、
   前記圧力容器の内部に配設されるように構成されると共に前記少なくとも１つのパラメータ測定センサに動作可能に接続される第１の部分と、
   前記圧力容器の外側に配設されるように構成されると共に前記圧力容器を通して前記第１の部分と通信する第２の部分と、を含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の膜モジュール。
8. 前記第１の部分は、前記第２の部分に誘導結合されると共に前記誘導結合を介して前記第２の部分から電力を受容するように構成される、請求項７に記載の膜モジュール。
9. 前記第１の部分は、前記少なくとも１つのパラメータ測定センサから受容したセンサ信号を前記第２の部分に無線通信するためにプログラムされる、請求項７又は８に記載の膜モジュール。
10. 前記第２の部分は、前記膜モジュールの汚れ状態を決定するために前記センサ信号を処理するためにプログラムされる、請求項９に記載の膜モジュール。
11. 前記第１の部分は、１つ又は複数の入力信号を前記少なくとも１つのパラメータ測定センサの１つ又は複数の電極に適用するために、及び、前記少なくとも１つのパラメータ測定センサの１つ又は複数の電極から応答信号を受容するために、プログラムされる、請求項７から１０までのいずれか一項に記載の膜モジュール。
12. 前記膜モジュールの前記膜上の別個の場所に配設された複数のパラメータ測定センサを含む、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の膜モジュール。
13. 膜モジュールのバンクを有する水処理プラント内の汚れの程度を監視するための方法であって、
    それに実装された少なくとも１つのセンサを有する少なくとも１つの膜モジュールを前記バンク内に位置させるステップと、
    前記水処理プラントを運転するステップと、
    センサ信号を取得するために前記少なくとも１つのセンサに問い合わせるステップと、
    前記センサ信号を少なくとも１つの計算デバイスと通信するステップと、
    前記少なくとも１つの膜モジュールの前記汚れの程度を評価するために前記計算デバイスを使用するステップと、を含む、方法。
14. それに実装された少なくとも１つのセンサを有する複数の前記膜モジュールを前記バンク内の異なった位置に実装するステップであって、前記膜モジュールの個々が前記少なくとも１つの計算デバイスと通信する、前記膜モジュールを実装するステップと、
    前記複数の膜モジュールの前記汚れの程度を個別に監視するステップと、を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記膜モジュールは、穿孔された収集管のまわりに巻かれた螺旋状に巻かれた膜を含み、前記方法は、前記螺旋状に巻かれた膜のラップ間に少なくとも１つのセンサを位置させることを含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 圧力容器の内部に膜モジュールの前記バンクを位置させることと、
    前記圧力容器の内部に前記計算デバイスの第１の部分を位置させることと、
    前記第１の部分と無線通信する前記圧力容器の外側の前記計算デバイスの第２の部分を位置させることと、
    前記第１の部分によって前記少なくとも１つのセンサから受容される信号を前記第２の部分に通信することと、を含む、請求項１３から１５までのいずれか一項に記載の方法。
17. 前記第２の部分から誘導結合によって前記第１の部分に電力供給することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の部分から生成されて前記少なくとも１つの膜モジュールの内部に配設された１つ又は複数の電極セットに適用される入力信号を使用して、電気インピーダンス分光法を実行することを含む、請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの膜モジュールの内部の複数の別個の点に複数のセンサを位置させることと、前記少なくとも１つの膜モジュールの前記複数の点を監視することと、を含む、請求項１３から１８までのいずれか一項に記載の方法。
20. 水処理プラントであって、
    少なくとも１つの圧力容器と、
    前記少なくとも１つの圧力容器の内部に配設された複数の膜モジュールと、を含み、
    １つ又は複数の前記膜モジュールは、
    供給流れを受容するための入口と、
    透過液流れが通過する透過液出口と、
    使用時に透過液が通過する前記透過液出口から前記入口を分離する膜と、
    前記モジュールに実装された少なくとも１つのパラメータ測定センサと、
    前記少なくとも１つのパラメータ測定センサに動作可能に接続された少なくとも１つの処理デバイスと、を含み、
    前記少なくとも１つの処理デバイスは、前記少なくとも１つのパラメータ測定センサから信号を取得するためにプログラムされる、水処理プラント。
21. 前記少なくとも１つの処理デバイスは、複数の膜モジュールの複数のパラメータ測定センサから信号を取得するためにプログラムされる、請求項２０に記載の水処理プラント。
22. 前記少なくとも１つの処理デバイスは、
    前記圧力容器の内部に配設されると共に前記少なくとも１つのパラメータ測定センサに動作可能に接続される第１の部分と、
    前記圧力容器の外側に配設されると共に前記圧力容器を通して前記第１の部分と通信する第２の部分と、を含む、請求項２０又は２１に記載の水処理プラント。
23. 前記第１の部分は、前記第２の部分に誘導結合されると共に前記誘導結合を介して前記第２の部分から電力を受容するように構成され、
    前記第１の部分は、前記少なくとも１つのパラメータ測定センサから受容した少なくとも１つのセンサ信号を前記第２の部分に無線通信するためにプログラムされ、
    前記第２の部分は、少なくとも１つの前記膜モジュールの汚れの程度を決定するために前記少なくとも１つのセンサ信号を処理するためにプログラムされる、請求項２２に記載の水処理プラント。
24. 前記第１の部分は、前記第２の部分と整列するように前記第１の部分を位置させるための磁石を含む、請求項２３に記載の水処理プラント。
25. 前記少なくとも１つのパラメータ測定センサは、前記それぞれの膜モジュールの螺旋状に巻かれた膜のラップ間に配設された少なくとも１つの電極を含む、請求項２０から２４までのいずれか一項に記載の水処理プラント。