JP2022111756A - Method and device for measuring impedance of filter film - Google Patents

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Abstract

To accurately measure the impedance of a separation functional layer even when a filter film is pressurized into a water-permeable state.SOLUTION: A method is to measure impedance of a separation functional layer 6a by electrochemical impedance spectroscopy. As an electrolyte 5 on a support layer 6b side, used is an electrolyte including ions of higher valency than that of ions included in an electrolyte 4 on the separation functional layer 6a side. An RO film 6 is put into a water-permeable state to measure the impedance of the separation functional layer 6a.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、逆浸透膜等からなる水処理用フィルタ膜のインピーダンスを測定する方法および、その方法を実施するための装置に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for measuring the impedance of a filter membrane for water treatment, such as a reverse osmosis membrane, and an apparatus for carrying out the method.

従来、例えば特許文献1や2に示されるように、被処理水に含まれる特定成分を除去する水処理装置の一つとして、逆浸透膜やナノろ過膜等のフィルタ膜(ろ過膜)を用いる膜ろ過装置が広く実用に供されている。逆浸透膜等のフィルタ膜は基本的に、支持層の一面側に分離機能層が担持されてなるものであり、被処理水としての電解液中の除去対象特定成分を分離機能層で透過を阻止して溶媒の水から分離させる機能を有する。 Conventionally, as shown in Patent Documents 1 and 2, a filter membrane (filtration membrane) such as a reverse osmosis membrane or a nanofiltration membrane is used as one of the water treatment apparatuses for removing specific components contained in the water to be treated. Membrane filtration devices are widely put into practical use. Filter membranes such as reverse osmosis membranes basically have a separation function layer supported on one side of a support layer, and the specific components to be removed in the electrolytic solution as the water to be treated permeate through the separation function layer. It has the function of blocking and separating from the solvent water.

この種のフィルタ膜に対しては、電解液中の除去対象成分の阻止能力を把握しておく要望がある。すなわちこのフィルタ膜は、使用を続けるうちにファウリング(汚れ)によって透水性が劣化し、また除去対象成分の阻止能力が劣化することが避けられない。その劣化を抑制するため稼働時に原水に薬剤を微量に添加しファウリングの進行を抑制し、経時的に劣化が顕著になった場合には、一旦稼働を止めて洗浄薬剤による洗浄を行う。ただ、逆浸透膜の場合は、大変微細なナノ構造の膜であるため、条件によってはこうした薬剤自体によっても除去対象成分の阻止能力の劣化を引き起こすことがあり、フィルタ膜の除去成分の阻止能力を詳細に把握する要望がある。 For this type of filter membrane, there is a demand for grasping the blocking ability of the components to be removed in the electrolytic solution. That is, the filter membrane inevitably deteriorates in water permeability due to fouling (dirt) during continued use, and also deteriorates in ability to block components to be removed. In order to suppress the deterioration, a small amount of chemical agent is added to the raw water during operation to suppress the progress of fouling, and when the deterioration becomes noticeable over time, the operation is temporarily stopped and the cleaning agent is used. However, in the case of a reverse osmosis membrane, since it is a membrane with a very fine nanostructure, depending on the conditions, the drug itself may cause deterioration of the ability to block the components to be removed, and the ability of the filter membrane to block the components to be removed may be reduced. There is a demand for a detailed understanding of

すなわち、この種のフィルタ膜の使用にあたっては、除去成分の阻止能力を可能な限り透水稼働状態で、リアルタイムに、またオンラインあるいはオフラインで計測解析する技術が求められる。この計測解析技術を活用することで、フィルタ膜の稼働効率を向上させ、また洗浄薬剤の使用量やタイミングを最適化し、フィルタ膜の効率的な使いこなしが可能になる。 That is, when using this type of filter membrane, a technique for measuring and analyzing the ability to block the components to be removed as much as possible in a permeable operating state in real time, on-line or off-line is required. By utilizing this measurement and analysis technology, it is possible to improve the operating efficiency of the filter membrane, optimize the amount and timing of cleaning chemical usage, and make efficient use of the filter membrane.

従来、フィルタ膜のファウリングの進行状況を評価する方法の一つとして、例えば特許文献2に示されているように、フィルタ膜が浸漬されている電解液に交流を印加し、その状態下でフィルタ膜の分離機能層と支持層との間のインピーダンスを測定し、この測定されたインピーダンスに基づいてファウリングの進行状況を評価する方法が知られている。上記フィルタ膜のインピーダンスを測定する方法は、電気化学インピーダンス分光法(Electrochemical Impedance Spectroscopy :以下、EISという)として知られている。 Conventionally, as one method for evaluating the progress of fouling of a filter membrane, for example, as shown in Patent Document 2, an alternating current is applied to the electrolytic solution in which the filter membrane is immersed, and under that state, A method of measuring the impedance between the separation function layer and the support layer of the filter membrane and evaluating the progress of fouling based on the measured impedance is known. A method for measuring the impedance of the filter membrane is known as Electrochemical Impedance Spectroscopy (hereinafter referred to as EIS).

特開平1-228509号公報JP-A-1-228509 特表2018-513383号公報Japanese Patent Publication No. 2018-513383

上記のEISによってフィルタ膜のインピーダンスを測定する方法では、フィルタ膜の分離機能層から支持層側に圧力を印加してフィルタ膜が透水状態とされてインピーダンスが測定されるが、圧力印加に伴なって支持層側に水が流入し支持層側のイオン濃度が低下する。すると、支持層に起因するインピーダンスが分離機能層に起因するインピーダンスと比べて2桁程度高くなって、分離機能層のインピーダンスを精度良く測定することが困難になるという問題が認められている。この問題は特に除去対象成分の阻止能力が高いフィルタ膜においては顕著である。 In the above-described method of measuring the impedance of a filter membrane by EIS, pressure is applied from the separation function layer to the support layer side of the filter membrane to make the filter membrane water permeable and the impedance is measured. As a result, water flows into the support layer side, and the ion concentration on the support layer side decreases. As a result, the impedance attributed to the support layer becomes higher than the impedance attributed to the separation functional layer by about two orders of magnitude, making it difficult to accurately measure the impedance of the separation functional layer. This problem is particularly conspicuous in filter membranes that have a high ability to block components to be removed.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、フィルタ膜が加圧されて透水状態とされていても、分離機能層のインピーダンスを精度良く測定することができる方法を提供することを目的とする。また本発明は、そのようなフィルタ膜のインピーダンス測定方法を実施できる装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method capable of accurately measuring the impedance of a separation functional layer even when the filter membrane is pressurized to be in a permeable state. and Another object of the present invention is to provide an apparatus capable of implementing such a filter membrane impedance measurement method.

本発明によるフィルタ膜のインピーダンス測定方法は、
支持層の上に分離機能層が担持されてなるフィルタ膜を電解液に浸漬して、分離機能層のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって測定するフィルタ膜のインピーダンス測定方法において、
支持層側の電解液として、分離機能層側の電解液に含まれるイオンの価数(イオン価)よりも大きい価数のイオンを含む電解液を用い、
フィルタ膜を透水状態にして分離機能層のインピーダンスを測定することを特徴とするものである。
A method for measuring the impedance of a filter membrane according to the present invention comprises:
A filter membrane impedance measuring method comprising: immersing a filter membrane in which a separation functional layer is supported on a support layer in an electrolytic solution; and measuring the impedance of the separation functional layer by electrochemical impedance spectroscopy.
As the electrolytic solution on the support layer side, an electrolytic solution containing ions with a higher valence than the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side is used,
It is characterized by measuring the impedance of the separation functional layer with the filter membrane in a water-permeable state.

なお、上記の「透水状態」とは、分離機能層側(電解液中に高濃度のイオンを含む1次側)の浸透圧をP1、支持層側(電解液中に低濃度のイオンを含む2次側)の浸透圧をP2とした場合に、分離機能層側(1次側)に浸透圧の差分(P1-P2)を超える圧力が印加されて、その結果、浸透圧に打ち勝って分離機能層側の電解液中の溶媒である水が分離機能層を通じて支持層に流れ込んでいる状態のことである。このときイオンも1次側と2次側の濃度差により、分離機能層を通じてわずかに支持層に流れ込む。その結果、透水状態下では極薄の分離機能層において、分離機能層側に配された電解液のイオン(例えばKやCl等)の濃度分布が生じる。 The above-mentioned "permeable state" means that the osmotic pressure on the separation function layer side (the primary side containing high-concentration ions in the electrolyte) is P1, and the osmotic pressure on the support layer side (contains low-concentration ions in the electrolyte) When the osmotic pressure on the secondary side) is P2, a pressure exceeding the osmotic pressure difference (P1-P2) is applied to the separation function layer side (primary side), and as a result, the osmotic pressure is overcome and separation occurs. It is a state in which water, which is the solvent in the electrolyte solution on the functional layer side, flows into the support layer through the separation functional layer. At this time, ions also slightly flow into the support layer through the separation function layer due to the difference in concentration between the primary side and the secondary side. As a result, a concentration distribution of ions (eg, K + , Cl , etc.) of the electrolytic solution placed on the separation functional layer side occurs in the ultrathin separation functional layer under the water permeable state.

この本発明によるフィルタ膜のインピーダンス測定方法は、フィルタ膜が例えば逆浸透膜である場合に適用可能である。 The filter membrane impedance measurement method according to the present invention can be applied when the filter membrane is, for example, a reverse osmosis membrane.

また、本発明によるフィルタ膜のインピーダンス測定方法は、分離機能層側の電解液として、価数が1の単原子イオンを含む電解液を好適に用いて実施され得るものである。そのような単原子イオンとして具体的には例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン等が挙げられる。これらのイオンは、特にフィルタ膜が逆浸透膜である場合に好適である。 Further, the method for measuring the impedance of a filter membrane according to the present invention can be carried out by suitably using an electrolytic solution containing monatomic ions with a valence of 1 as the electrolytic solution on the side of the separation functional layer. Specific examples of such monatomic ions include lithium ions, sodium ions, potassium ions, fluoride ions, chloride ions, bromide ions, and the like. These ions are particularly suitable when the filter membrane is a reverse osmosis membrane.

その場合、支持層側の電解液としては、2価以上のイオンを含む電解液が用いられることになるが、そのようなイオンとしては例えばMg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+等の2価の単原子イオンが挙げられる。また、2価以上のイオンとしてはそれらの他に、例えば3価の [Fe(CN)]3-(ヘキサシアニド鉄(III) 酸イオン)等も挙げられる。 In that case, the electrolytic solution containing divalent or higher valent ions is used as the electrolytic solution on the support layer side . valent monoatomic ions. In addition to these, trivalent ions such as [Fe(CN) 6 ] 3- (hexacyanide iron (III) acid ion) and the like can also be used as divalent or more valent ions.

他方、本発明によるフィルタ膜のインピーダンス測定装置は、
支持層の上に分離機能層が担持されてなるフィルタ膜を電解液に浸漬して、分離機能層のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって測定するフィルタ膜のインピーダンス測定装置において、
分離機能層側の電解液に含まれるイオンの価数よりも大きい価数のイオンを含む電解液を支持層側に注入する電解液注入系を有することを特徴とするものである。
On the other hand, the filter membrane impedance measuring device according to the present invention is
An impedance measuring device for a filter membrane, in which a filter membrane comprising a separation functional layer supported on a support layer is immersed in an electrolytic solution and the impedance of the separation functional layer is measured by electrochemical impedance spectroscopy,
It is characterized by having an electrolytic solution injection system for injecting an electrolytic solution containing ions having a higher valence than the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side into the support layer side.

本発明によるフィルタ膜のフィルタ膜のインピーダンス測定方法によれば、分離機能層側の電解液に含まれるイオンの価数よりも大きい価数のイオンを含む電解液を支持層側に注入するようにしたので、支持層に起因するインピーダンスが低く抑えられる。さらに、支持層側の電解液中のイオンが分離機能層内に拡散することはほとんどないため、分離機能層側の電解液中のイオンの分離機能層内の分布にほとんど影響を与えない。その結果、分離機能層のインピーダンスを精度良く測定可能となる。 According to the filter membrane impedance measuring method of the present invention, the electrolytic solution containing ions with a higher valence than the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side is injected into the support layer side. Therefore, the impedance caused by the support layer can be kept low. Furthermore, since ions in the electrolytic solution on the support layer side hardly diffuse into the separation functional layer, the distribution of ions in the electrolytic solution on the separation functional layer side in the separation functional layer is hardly affected. As a result, it is possible to accurately measure the impedance of the separation functional layer.

本発明によるフィルタ膜のインピーダンス測定装置は、支持層の上に分離機能層が担持されてなるフィルタ膜を電解液に浸漬して、分離機能層のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって測定するフィルタ膜のインピーダンス測定装置において、分離機能層側の電解液に含まれるイオンの価数よりも大きい価数のイオンを含む電解液を支持層側に注入する電解液注入系を有するので、上に説明した効果を奏するフィルタ膜のインピーダンス測定方法を実施できるものとなる。 A filter membrane impedance measuring apparatus according to the present invention is a filter membrane in which a separation functional layer is supported on a support layer, and the impedance of the separation functional layer is measured by electrochemical impedance spectroscopy by immersing the filter membrane in an electrolytic solution. The impedance measuring device of (1) has an electrolytic solution injection system for injecting an electrolytic solution containing ions having a higher valence than the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side into the support layer side. An effective method for measuring the impedance of a filter film can be implemented.

本発明の一実施形態によるフィルタ膜のインピーダンス測定装置を示す概略構成図1 is a schematic configuration diagram showing a filter membrane impedance measuring device according to an embodiment of the present invention; FIG. インピーダンスが測定されるフィルタ膜の等価回路を示す図Diagram showing the equivalent circuit of the filter membrane whose impedance is to be measured 図2の等価回路のNyquist Plot図(概略図)Nyquist Plot diagram of the equivalent circuit in Figure 2 (schematic diagram) 本発明の方法により測定したフィルタ膜のNyquist Plot図Nyquist plot of filter membrane measured by the method of the present invention 図4のフィルタ膜のNyquist Plotを、このNyquist Plotを等価回路の特性にフィッティングさせる曲線と併せて示す図A diagram showing the Nyquist plot of the filter membrane of FIG. 4 together with a curve fitting this Nyquist plot to the characteristics of an equivalent circuit. NaClO水溶液に浸漬後測定したフィルタ膜のNyquist Plot図Nyquist plot of filter membrane measured after immersion in NaClO aqueous solution 図6のフィルタ膜のNyquist Plotを、このNyquist Plotを等価回路の特性にフィッティングさせる曲線と併せて示す図A diagram showing the Nyquist plot of the filter membrane of FIG. 6 together with a curve fitting this Nyquist plot to the characteristics of an equivalent circuit. 本発明に対する比較例の方法によるインピーダンス測定結果を示すNyquist Plot図Nyquist Plot diagram showing the impedance measurement result by the method of the comparative example for the present invention

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態によるフィルタ膜のインピーダンス測定装置の概略構成を示すものである。まず、この図1の装置について説明する。本装置は、電解液を貯える圧力容器1を有する。この圧力容器1は、例えばアクリル製または樹脂や鋼鈑製の容器であり、後述するフィルタ膜によって互いに仕切られることになる第1槽2と第2槽3とからなる。第1槽2と第2槽3にはそれぞれ、電解液4、電解液5が貯えられる。本実施形態では一例として、電解液4としてKCl(塩化カリウム)水溶液が用いられ、電解液5としてMgCl(塩化マグネシウム)水溶液が用いられる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a filter membrane impedance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. First, the apparatus shown in FIG. 1 will be described. The device has a pressure vessel 1 containing an electrolyte. This pressure vessel 1 is, for example, a vessel made of acrylic, resin, or steel plate, and comprises a first tank 2 and a second tank 3 which are separated from each other by a filter membrane, which will be described later. Electrolytic solutions 4 and 5 are stored in the first tank 2 and the second tank 3, respectively. In this embodiment, as an example, the electrolytic solution 4 is a KCl (potassium chloride) aqueous solution, and the electrolytic solution 5 is an MgCl 2 (magnesium chloride) aqueous solution.

圧力容器1は、フィルタ膜のインピーダンス測定のために専用に形成されてもよいし、あるいは、実際にフィルタリング(ろ過)用に稼働しているろ過装置を構成する容器が用いられてもよい。圧力容器1において第1槽2と第2槽3との間には、インピーダンスを測定する対象としてのフィルタ膜6が保持される。本例のフィルタ膜6は逆浸透膜(Reverse Osmosis membrane、RO膜)である。そこで以下では、このフィルタ膜をRO膜6と称することとする。 The pressure vessel 1 may be formed exclusively for the impedance measurement of the filter membrane, or may be a vessel constituting a filtering device that is actually working for filtering (filtration). Between the first tank 2 and the second tank 3 in the pressure vessel 1, a filter membrane 6 is held as an object whose impedance is to be measured. The filter membrane 6 of this example is a reverse osmosis membrane (RO membrane). Therefore, this filter film is hereinafter referred to as RO film 6 .

RO膜6は、分離機能層6aと支持層6bと不織布基材とからなる複合膜構造であって、不織布基材上に支持層6bが形成され、さらに支持層6b上に分離機能層6aが形成されてなる。一例として支持層6bはポリスルホンまたは酢酸セルロース、分離機能層6aは架橋芳香族ポリアミドからなり、支持層6bの厚さは30~50μm程度、分離機能層6aの厚さは200nm程度である。また不織布基材はポリエステルからなり厚さは100μm程度である。なお図1では、不織布基材は図示を省いている。上述のように保持されたRO膜6は、インピーダンスの測定時には、電解液4および5の中に浸漬された状態となる。 The RO membrane 6 has a composite membrane structure consisting of a separation functional layer 6a, a support layer 6b, and a non-woven fabric base material. formed. For example, the support layer 6b is made of polysulfone or cellulose acetate, and the separation function layer 6a is made of crosslinked aromatic polyamide. The nonwoven fabric substrate is made of polyester and has a thickness of about 100 μm. In addition, in FIG. 1, illustration of the nonwoven fabric substrate is omitted. The RO membrane 6 held as described above is in a state of being immersed in the electrolytic solutions 4 and 5 at the time of impedance measurement.

第1槽2および第2槽3の中には、保持されたRO膜6を間に置いて互いに向い合う状態にして、それぞれ第1電極7、第2電極8が配設されている。第1電極7および第2電極8の電気的接続については後に詳述する。 A first electrode 7 and a second electrode 8 are arranged in the first tank 2 and the second tank 3, respectively, facing each other with the RO membrane 6 held therebetween. The electrical connection between the first electrode 7 and the second electrode 8 will be detailed later.

第1槽2の中には、圧力を付加した状態で電解液4が貯留され、膜ろ過は、クロスフローろ過方式によって行われる。以下、そのための構成について説明する。第1槽2の中には原水配管12の一端が接続され、その他端は電解液4を貯留する原水タンク13に接続されている。原水配管12には、電解液4を圧送する高圧送水ポンプ14が介設されている。この高圧送水ポンプ14によって原水タンク13内の電解液4が第1槽2に圧送されると、分離機能層6a側(1次側)から支持層6b側(2次側)に圧力が印加されて、電解液4中の水が分離機能層6aを通して支持層6bに流れ込む透水状態になる。この透水状態下では分離機能層6aにおいて、電解液4中のイオンの濃度分布が生じる。 The electrolytic solution 4 is stored in the first tank 2 under pressure, and the membrane filtration is performed by the cross-flow filtration method. A configuration for that purpose will be described below. One end of a raw water pipe 12 is connected to the inside of the first tank 2 , and the other end is connected to a raw water tank 13 that stores the electrolytic solution 4 . A high-pressure water pump 14 for pumping the electrolytic solution 4 is interposed in the raw water pipe 12 . When the electrolytic solution 4 in the raw water tank 13 is pumped to the first tank 2 by the high-pressure water pump 14, pressure is applied from the separation function layer 6a side (primary side) to the support layer 6b side (secondary side). As a result, the water in the electrolytic solution 4 flows into the support layer 6b through the separation functional layer 6a, thereby creating a water-permeable state. Under this water-permeable state, a concentration distribution of ions in the electrolytic solution 4 occurs in the separation function layer 6a.

RO膜6を電解液4のフィルタリング(ろ過)に使用する場合、RO膜6を透過した電解液4中の水は透過水として第2槽3に流入し、透過水配管15を経て第2槽3から流出する。この透過水は通常は図示外の配管等を通して原液タンク13に戻されるが、後述するMgCl等が混入している場合は別のタンク(図示せず)に放出される。一方、第1槽2内でRO膜6を透過しなかった電解液4は、原水還流配管16を通して原液タンク13に戻される。 When the RO membrane 6 is used for filtering the electrolytic solution 4, the water in the electrolytic solution 4 that permeates the RO membrane 6 flows into the second tank 3 as permeated water, and passes through the permeated water pipe 15 to the second tank. It flows out from 3. This permeated water is normally returned to the stock solution tank 13 through a pipe or the like (not shown), but if it contains MgCl 2 or the like, which will be described later, it is discharged to another tank (not shown). On the other hand, the electrolytic solution 4 that has not permeated the RO membrane 6 in the first tank 2 is returned to the raw solution tank 13 through the raw water reflux pipe 16 .

本装置においては第2槽3に、RO膜6のインピーダンス測定用の電解液を注入する電解液注入系が設けられている。この電解液注入系は、高圧ガスボンベ21と、一端が高圧ガスボンベ21に接続されたガス配管22と、ガス配管22の他端が接続された電解液貯留槽23と、ガス配管22に介設されたバルブ24と、電解液貯留槽23に貯留された電解液5を上記第2槽3内に導く電解液配管25と、この電解液配管25に介設されたバルブ26とから構成されている。 In this apparatus, the second tank 3 is provided with an electrolytic solution injection system for injecting an electrolytic solution for measuring the impedance of the RO membrane 6 . This electrolyte injection system is interposed between a high-pressure gas cylinder 21, a gas pipe 22 having one end connected to the high-pressure gas cylinder 21, an electrolyte storage tank 23 having the other end connected to the gas pipe 22, and the gas pipe 22. an electrolytic solution pipe 25 for guiding the electrolytic solution 5 stored in the electrolytic solution storage tank 23 into the second tank 3; and a valve 26 interposed in the electrolytic solution pipe 25. .

前述した第1槽2内の第1電極7、および第2槽3内の第2電極8は、それぞれ接続線31、32を介してインピーダンスメータ33に接続されている。電極7および電極8として、電極における有効面積を十分に確保するため、例えば白金黒電極(白金の上に白金微粒子を析出させたもの)を用いることができる。電極7および電極8として、例えば表面を白金黒化した白金電極を用いることができる。後述するようにインピーダンスメータ33は、第1電極7および第2電極8を介して電解液4、5に交流を印加する交流印加手段を構成している。それと共にインピーダンスメータ33は、第1電極7と第2電極8との間、つまりRO膜6の透水方向の一方側と他方側との間のインピーダンスを測定する。そしてこのインピーダンスメータ33には例えばコンピュータシステム等からなる解析部34が接続され、また解析部34には例えば液晶表示装置等からなる表示部35が接続されている。 The first electrode 7 in the first tank 2 and the second electrode 8 in the second tank 3 described above are connected to an impedance meter 33 via connection lines 31 and 32, respectively. For the electrodes 7 and 8, for example, a platinum black electrode (precipitated platinum fine particles on platinum) can be used in order to secure a sufficient effective area of the electrodes. As the electrode 7 and the electrode 8, for example, a platinum electrode having a platinum-blackened surface can be used. As will be described later, the impedance meter 33 constitutes AC applying means for applying AC to the electrolytic solutions 4 and 5 via the first electrode 7 and the second electrode 8 . At the same time, the impedance meter 33 measures the impedance between the first electrode 7 and the second electrode 8, that is, between one side and the other side of the RO membrane 6 in the water permeation direction. The impedance meter 33 is connected to an analysis section 34 such as a computer system, and the analysis section 34 is connected to a display section 35 such as a liquid crystal display device.

なお図1に示す装置では、インピーダンスメータ33、解析部34および表示部35が互いに別個に示されているが、それらがまとめて設けられてなる1個の測定機器が用いられてもよい。 In the apparatus shown in FIG. 1, the impedance meter 33, the analysis section 34, and the display section 35 are shown separately from each other, but a single measuring instrument in which these are collectively provided may be used.

次に、この図1に示す装置を使用してなされる本実施形態によるインピーダンス測定方法について、一例を挙げて説明する。この例は、分離機能層6aのインピーダンスを測定する際に、RO膜6の分離機能層6a側(1次側)を浸漬する電解液4として例えば10mMol/LのKCl水溶液を、そして支持層6b側(2次側)を浸漬する電解液5として例えば5mMol/LのMgCl水溶液を適用するものである。 Next, an example of the impedance measuring method according to the present embodiment using the apparatus shown in FIG. 1 will be described. In this example, when measuring the impedance of the separation function layer 6a, the electrolyte 4 in which the separation function layer 6a side (primary side) of the RO membrane 6 is immersed is, for example, a 10 mMol/L KCl aqueous solution, and the support layer 6b is As the electrolytic solution 5 in which the side (secondary side) is immersed, for example, a 5 mMol/L MgCl 2 aqueous solution is applied.

[手順1]
圧力容器1に、インピーダンスを測定する対象のRO膜6をセットした後、分離機能層6a側(1次側)および支持層6b側(2次側)の双方を共に電解液4、つまりKCl水溶液で満たす。圧力容器の内径は例えば20mmで、電極とRO膜の間隔は例えば8mmとする。
[手順2]
高圧送水ポンプ14を駆動させ、クロスフローろ過方式によって分離機能層6a側の電解液4を加圧してRO膜6を透水状態にする。ここで、上記加圧の圧力は例えば0.3~0.7MPa(メガ・パスカル)程度とし、透水速度は例えば200cm/分程度とする。
[Step 1]
After setting the RO membrane 6 whose impedance is to be measured in the pressure vessel 1, both the separation function layer 6a side (primary side) and the support layer 6b side (secondary side) were filled with an electrolytic solution 4, that is, a KCl aqueous solution. fill with The inner diameter of the pressure vessel is, for example, 20 mm, and the distance between the electrode and the RO membrane is, for example, 8 mm.
[Step 2]
The high-pressure water pump 14 is driven to pressurize the electrolytic solution 4 on the side of the separation functional layer 6a by the cross-flow filtration method, thereby making the RO membrane 6 water-permeable. Here, the pressurization pressure is, for example, about 0.3 to 0.7 MPa (mega-pascal), and the water permeation rate is, for example, about 200 cm 3 /min.

[手順3]
以上の透水状態下で、EISによる分離機能層6aのインピーダンス測定を、例えば30分~2時間程度の一定間隔で行う。このEISによるインピーダンス測定に当たっては、インピーダンスメータ33から第1電極7および第2電極8を介して電解液4に100mVの交流電圧が印加される。本例においてこの交流電圧は、例えば周波数を4.0Hz~4.0MHzの範囲内で掃引してなされる。こうして交流印加がなされているとき、インピーダンスメータ33は第1電極7と第2電極8との間、つまりRO膜6の透水方向一方側と他方側との間のインピーダンスを測定する。このインピーダンス測定結果は解析部34に入力される。
[Step 3]
Under the water permeable state described above, impedance measurement of the separation functional layer 6a by EIS is performed at regular intervals of, for example, about 30 minutes to 2 hours. In this EIS impedance measurement, an AC voltage of 100 mV is applied from the impedance meter 33 to the electrolytic solution 4 via the first electrode 7 and the second electrode 8 . In this example, this AC voltage is generated by sweeping the frequency, for example, within the range of 4.0 Hz to 4.0 MHz. While AC is being applied in this manner, the impedance meter 33 measures the impedance between the first electrode 7 and the second electrode 8, that is, between one side and the other side of the RO membrane 6 in the water permeation direction. This impedance measurement result is input to the analysis unit 34 .

このインピーダンス測定は、測定されるインピーダンスのスペクトルが安定し、またRO膜6によるKCl水溶液の脱塩率が安定するまで上記透水状態を継続させ、例えば少なくとも10時間に亘って行う。また上記透水速度は2時間程度かけて測定し、安定していることを確認する。 This impedance measurement is performed by continuing the water permeation state, for example, for at least 10 hours until the measured impedance spectrum is stabilized and the desalination rate of the KCl aqueous solution by the RO membrane 6 is stabilized. Also, the water permeation rate is measured over a period of about 2 hours to confirm that it is stable.

[手順4]
上記スペクトルが安定したことを確認した後、ガス配管22のバルブ24を開き、高圧ガスボンベ21中の高圧ガスを電解液貯留槽23に送って加圧する。それにより、電解液貯留槽23に貯留されている電解液5、つまりMgCl水溶液を電解液配管25から第2槽3に注入する。その際、バルブ26の開度を調整しておくことにより、この電解液5がゆっくり注入されるようにする。一例として第2槽3の容積は約2.5cmであり、電解液5の注入量は15cm程度とする。
[手順5]
第2槽3に電解液5が十分注入されたことを確認する。この確認は、例えば第2槽3の中に配した図示外のイオン濃度計をモニタすることによって行う。
[手順6]
電解液5が十分注入されたことを確認後、手順4と同様にEISによるインピーダンス測定を行う。交流電圧は、例えば周波数を4.0Hz~4.0MHzの範囲内で掃引して印加する。得られたインピーダンス測定結果は解析部34に入力される。
[Step 4]
After confirming that the spectrum has stabilized, the valve 24 of the gas pipe 22 is opened, and the high-pressure gas in the high-pressure gas cylinder 21 is sent to the electrolyte storage tank 23 and pressurized. Thereby, the electrolytic solution 5 stored in the electrolytic solution storage tank 23 , that is, the MgCl 2 aqueous solution is injected into the second tank 3 through the electrolytic solution pipe 25 . At this time, the opening degree of the valve 26 is adjusted so that the electrolytic solution 5 is slowly injected. As an example, the volume of the second tank 3 is approximately 2.5 cm 3 and the injection amount of the electrolytic solution 5 is approximately 15 cm 3 .
[Step 5]
It is confirmed that the electrolyte 5 has been sufficiently injected into the second tank 3 . This confirmation is performed by monitoring an ion concentration meter (not shown) arranged in the second tank 3, for example.
[Step 6]
After confirming that the electrolytic solution 5 has been sufficiently injected, the impedance is measured by EIS in the same manner as in Procedure 4. The AC voltage is applied by sweeping the frequency, for example, within the range of 4.0 Hz to 4.0 MHz. The obtained impedance measurement result is input to the analysis unit 34 .

この測定がなされるとき分離機能層6a側の電解液4は、価数が1の単原子イオンであるK、Clを含むものとなっている。それに対して支持層6b側の電解液5は、Clに加えて価数が2のイオンMg2+を含むものとなっている。この透水状態下では分離機能層6aにおいて、電解液4のイオン、つまりKおよびClの濃度分布が生じる。 When this measurement is performed, the electrolytic solution 4 on the side of the separation functional layer 6a contains monoatomic ions with a valence of 1, such as K + and Cl . On the other hand, the electrolytic solution 5 on the support layer 6b side contains ions Mg 2+ having a valence of 2 in addition to Cl . Under this water-permeable state, a concentration distribution of ions of the electrolytic solution 4, that is, K + and Cl occurs in the separation function layer 6a.

次に、以上述べたインピーダンス測定がなされるとき、インピーダンスメータ33の出力を受ける解析部34によってなされる解析について説明する。なお、このインピーダンス測定は、支持層6bの抵抗の抵抗、容量をそれぞれR0、C0とし、分離機能層6aの一部の抵抗をR1、残余の部分の抵抗をR2とし、また分離機能層6aの一部の容量をC1、残余の部分の容量をC2として、図2に示す等価回路のインピーダンスを求めることと等価である。インピーダンスメータ33としては、一例としてKeysight Technologies社のE4980AプレシジョンLCRメータを用いることができる。 Next, the analysis performed by the analysis unit 34 that receives the output of the impedance meter 33 when the impedance measurement described above is performed will be described. In this impedance measurement, the resistance and capacitance of the support layer 6b are R0 and C0, respectively, the resistance of a part of the separation functional layer 6a is R1, the resistance of the remaining part is R2, and the resistance of the separation functional layer 6a is R2. This is equivalent to obtaining the impedance of the equivalent circuit shown in FIG. As an example of the impedance meter 33, an E4980A precision LCR meter manufactured by Keysight Technologies can be used.

解析部34は、インピーダンスメータ33の出力を受けて、インピーダンスの実部を横軸に示し、虚部を縦軸に示すNyquist Plot(ナイキスト線図)を描く。それと共に解析部34は、前述した交流の周波数fを横軸に、インピーダンスZの絶対値|Z|および位相角θを横軸に示すBode Plot(ボード線図)を描く。これら2種のPlotは同じ事象を異なる形式で示すものであり、Bode Plotにおける周波数fの高周波端、低周波端がそれぞれ、Nyquist Plotにおける実部の最小値、最大値に対応する。求められたそれぞれのPlotは、図1に示す表示部35に表示される。本実施形態では、この表示部35の表示を観察して、分離機能層6a起因のスペクトルが測定できていることを確認可能である。解析部34では、解析する周波数領域を選択可能となっている。この周波数領域の例は後に図7を参照して説明する。なお、図2に示す等価回路についてNyquist Plotを描けば、概略、図3のようなものとなる。 The analysis unit 34 receives the output of the impedance meter 33 and draws a Nyquist plot in which the horizontal axis indicates the real part of the impedance and the vertical axis indicates the imaginary part. At the same time, the analysis unit 34 draws a Bode plot in which the above-described AC frequency f is plotted on the horizontal axis and the absolute value |Z| of the impedance Z and the phase angle θ are plotted on the horizontal axis. These two types of plots show the same phenomenon in different forms, and the high frequency end and low frequency end of the frequency f in the Bode plot respectively correspond to the minimum value and maximum value of the real part in the Nyquist plot. Each obtained Plot is displayed on the display unit 35 shown in FIG. In this embodiment, by observing the display on the display unit 35, it can be confirmed that the spectrum caused by the separation functional layer 6a can be measured. The analysis unit 34 can select the frequency region to be analyzed. An example of this frequency domain will be described later with reference to FIG. If a Nyquist plot is drawn for the equivalent circuit shown in FIG. 2, it will be roughly as shown in FIG.

図4には、本発明の一実施形態のNyquist Plotの例を示す。この図においては、インピーダンスの実部をZ’、虚部をZ”として示している(単位は共にΩ)。また図4には、インピーダンスの実部Z’に対応する周波数fを、横軸位置を示す矢印に付した数値で示している。SI単位系の接頭語M(メガ)、k(キロ)が付いている場合は、それを除いた数値が周波数fである(単位はHz)。 FIG. 4 shows an example of Nyquist Plot of one embodiment of the present invention. In this figure, the real part of the impedance is Z' and the imaginary part is Z'' (both units are Ω). In FIG. 4, the frequency f corresponding to the real part of the impedance Z' It is indicated by the numerical value attached to the arrow indicating the position.If the prefix M (mega) or k (kilo) of the SI unit system is attached, the numerical value excluding it is the frequency f (unit: Hz) .

図5には、上記図4のNyquist Plotの一部を、このNyquist Plotの分離機能層6aに起因する部分を図2の等価回路の特性にフィッティングさせる曲線と併せて示している。このフィッティングによるインピーダンス測定の等価回路解析は、例えばZView等価回路解析ソフトウェア(AMETEK Scientific Instruments製)を用いて行うことができる。図中、複数のドットがインピーダンスの実測値であり、それらを結ぶ曲線とは別の単独の曲線がフィッティング用の曲線である。フィッティングは、図5に示すNyquist Plot とフィッティング用の曲線とが概ね誤差5%以内に収まるまで行っている。なお、この場合のフィッティングさせる周波数領域は6.16Hz~616Hzである。 FIG. 5 shows part of the Nyquist plot of FIG. 4 together with a curve that fits the part of the Nyquist plot resulting from the separation function layer 6a to the characteristics of the equivalent circuit of FIG. Equivalent circuit analysis of impedance measurement by this fitting can be performed using, for example, ZView equivalent circuit analysis software (manufactured by AMETEK Scientific Instruments). In the figure, a plurality of dots are actually measured impedance values, and a single curve separate from the curve connecting them is a curve for fitting. The fitting is performed until the error between the Nyquist plot shown in FIG. 5 and the curve for fitting is generally within 5%. The frequency range for fitting in this case is 6.16 Hz to 616 Hz.

そして、上記の誤差以内でフィッティングがなされたなら、そのときのフィッティング曲線に基づいて、抵抗R0~R2および容量C0~C2を求める。本例において、分離機能層6aの抵抗はR1+R2=312Ω+146Ω=458Ωと求められる。 Then, if the fitting is performed within the above error, the resistances R0 to R2 and the capacitances C0 to C2 are obtained based on the fitting curve at that time. In this example, the resistance of the separation functional layer 6a is calculated as R1+R2=312Ω+146Ω=458Ω.

ここで、上記実施形態と対比するための比較例について説明する。上記実施形態では、EISによるインピーダンス測定時に第2槽3に電解液5としてMgCl水溶液を注入しているのに対し、この比較例では上記インピーダンス測定時に第2槽3に第1槽2と同様に電解液4として例えば10mMol/LのKCl水溶液を注入する。その点以外は上記実施形態におけるのと同様にしてインピーダンス測定がなされるが、高圧送水ポンプ14による第1槽2への圧力印加の後、RO膜6における透水と共に徐々に2次側つまり支持層6b側のイオン濃度が低下する。それにより支持層6bのインピーダンスは、圧力印加前と比べて著しく上昇する。 Here, a comparative example for comparison with the above embodiment will be described. In the above embodiment, an aqueous solution of MgCl 2 is injected into the second tank 3 as the electrolytic solution 5 during the impedance measurement by EIS. For example, a 10 mMol/L KCl aqueous solution is injected as an electrolytic solution 4 into the . Except for this point, the impedance is measured in the same manner as in the above-described embodiment. The ion concentration on the 6b side decreases. As a result, the impedance of the support layer 6b significantly increases compared to before pressure application.

図8は、このインピーダンスの変化の様子をNyquist Plotの変化で示すものである。ここでは、RO膜6への透水前から透水状態になるまでのNyquist Plotの変化を示しており、Nyquist Plotの曲線は透水量が増えるにつれて、曲線が次第に大きくなるように変化する。つまりNyquist Plotの実部は、具体的には約700Ωから約70000Ωまで2桁上昇し、透水状態でのNyquist Plot(曲線が最大のもの)はほぼ全部が支持層6bに起因するものとなる。より正確に説明すれば、透水状態でのNyquist Plotにおいて、分離機能層6aに起因するものは、上記曲線の低周波数側の端部(図8において三角形で囲まれている部分)に僅かに現れるに過ぎない。このようなNyquist Plotでは、分離機能層6aのインピーダンス(数100Ω程度)の測定は極めて困難である。 FIG. 8 shows how this impedance changes as a Nyquist plot. Here, changes in the Nyquist Plot from before water permeation to the RO membrane 6 to when water is permeated are shown, and the curve of the Nyquist Plot changes so that the curve gradually increases as the water permeation rate increases. Specifically, the real part of the Nyquist Plot increases by two orders of magnitude from approximately 700Ω to approximately 70000Ω, and almost all of the Nyquist Plot (the maximum curve) in the permeable state is due to the support layer 6b. To be more precise, in the Nyquist plot in the permeable state, what is caused by the separation functional layer 6a slightly appears at the end of the curve on the low frequency side (the portion surrounded by the triangle in FIG. 8). It's nothing more than With such a Nyquist Plot, it is extremely difficult to measure the impedance (about several hundred Ω) of the separation functional layer 6a.

それに対して上記実施形態では、第2槽3に電解液5としてMgCl水溶液を注入したことにより、支持層6bのインピーダンスは約600Ωに低下するので、前述した通り分離機能層6aのインピーダンスを精度良く測定可能となっている。 On the other hand, in the above-described embodiment, the impedance of the support layer 6b is lowered to about 600 Ω by injecting the MgCl 2 aqueous solution as the electrolytic solution 5 into the second tank 3. It is well measurable.

さらに、図6は、図4で測定されたRO膜6と同じRO膜を、200ppmのNaClO(次亜塩素酸ナトリウム)水溶液に9時間浸漬して、分離機能層6aのインピーダンスを測定して求めたNyquist Plotである。NaClO水溶液に浸漬させたことにより、ポリアミドからなる分離機能層6aの表面はNaClOによって酸化され、アミド結合が分解されて高分子の架橋状態がルーズになる。図4と同様に、インピーダンスの実部Z’に対応する周波数fを、横軸位置を示す矢印に付した数値で示している。 Furthermore, FIG. 6 is obtained by immersing the same RO membrane as the RO membrane 6 measured in FIG. This is a Nyquist Plot. By being immersed in the aqueous NaClO solution, the surface of the separation functional layer 6a made of polyamide is oxidized by NaClO, the amide bonds are decomposed, and the crosslinked state of the polymer is loosened. As in FIG. 4, the frequency f corresponding to the real part Z' of the impedance is indicated by the numerical value attached to the arrow indicating the position on the horizontal axis.

図7には、上記図6のNyquist Plotの一部を、同じくフィッティング用の曲線と併せて示している。この図7の表示の仕方は、図5におけるものと同じである。フィッティングは、図7に示すNyquist Plot とフィッティング用の曲線とが概ね誤差5%以内に収まるまで行っている。なお、この場合のフィッティングさせる周波数領域は30.8Hz~632Hzである。このとき、分離機能層6aの抵抗はR1+R2=103.4Ω+29.4Ω=132.8Ωと求められる。この結果は、NaClOによってアミド結合が分解される前の図5で求めた分離機能層6aの抵抗(458Ω)に比べ、大きく減少していることを示している。これは、NaClOによって分離機能層6aのアミド結合が分解されて、高分子の架橋状態がルーズになったためと考えられる。 FIG. 7 shows part of the Nyquist plot of FIG. 6, together with the curve for fitting. The manner of display in FIG. 7 is the same as in FIG. The fitting is performed until the error between the Nyquist plot shown in FIG. 7 and the curve for fitting is generally within 5%. The frequency range for fitting in this case is 30.8 Hz to 632 Hz. At this time, the resistance of the separation functional layer 6a is calculated as R1+R2=103.4Ω+29.4Ω=132.8Ω. This result shows that the resistance (458Ω) of the separation functional layer 6a obtained in FIG. This is probably because the amide bond of the separation functional layer 6a was decomposed by NaClO, and the crosslinked state of the polymer became loose.

すなわち、上記実施形態では、NaClO水溶液による分離機能層6aの変化が有る場合と無い場合の分離機能層6aのインピーダンスを測定して、それら両場合における分離機能層6aの抵抗R1+R2を調べているので、この抵抗から分離機能層6aの劣化状態を評価できることを示している。 That is, in the above embodiment, the impedance of the separation functional layer 6a is measured with and without the change in the separation functional layer 6a due to the NaClO aqueous solution, and the resistance R1+R2 of the separation functional layer 6a in both cases is examined. , indicates that the deterioration state of the separation functional layer 6a can be evaluated from this resistance.

1 圧力容器
2 圧力容器の第1槽
3 圧力容器の第2槽
4 電解液
5 電解液
6 RO膜
6a RO膜の分離機能層
6b RO膜の支持層
7 第1電極
8 第2電極
12 原水配管
13 原水タンク
14 高圧送水ポンプ
15 透過水配管
16 原水還流配管
21 高圧ガスボンベ
22 ガス配管
23 電解液貯留槽
24、26 バルブ
25 電解液配管
31、32 接続線
33 インピーダンスメータ
34 解析部
35 表示部
1 Pressure Vessel 2 First Tank of Pressure Vessel 3 Second Tank of Pressure Vessel 4 Electrolyte 5 Electrolyte 6 RO Membrane 6a Separation Function Layer of RO Membrane 6b Supporting Layer of RO Membrane 7 First Electrode 8 Second Electrode 12 Raw Water Piping 13 Raw water tank 14 High pressure water pump 15 Permeated water pipe 16 Raw water reflux pipe 21 High pressure gas cylinder 22 Gas pipe 23 Electrolyte storage tank 24, 26 Valve 25 Electrolyte pipe 31, 32 Connection line 33 Impedance meter 34 Analysis unit 35 Display unit

Claims (4)

支持層の上に分離機能層が担持されてなるフィルタ膜を電解液に浸漬して、前記分離機能層のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって測定するフィルタ膜のインピーダンス測定方法において、
前記支持層側の電解液として、前記分離機能層側の電解液に含まれるイオンの価数よりも大きい価数のイオンを含む電解液を用い、
前記フィルタ膜を透水状態にして前記分離機能層のインピーダンスを測定することを特徴とするフィルタ膜のインピーダンス測定方法。
A filter membrane impedance measuring method comprising: immersing a filter membrane in which a separation functional layer is supported on a support layer in an electrolytic solution to measure the impedance of the separation functional layer by electrochemical impedance spectroscopy;
Using an electrolytic solution containing ions with a higher valence than the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side as the electrolytic solution on the support layer side,
A method for measuring the impedance of a filter membrane, wherein the impedance of the separation function layer is measured while the filter membrane is in a water-permeable state.
前記フィルタ膜が逆浸透膜である請求項1に記載のフィルタ膜のインピーダンス測定方法。 2. The filter membrane impedance measuring method according to claim 1, wherein the filter membrane is a reverse osmosis membrane. 前記分離機能層側の電解液に含まれるイオンが、前記価数が1の単原子イオンである請求項1または2に記載のフィルタ膜のインピーダンス測定方法。 3. The filter membrane impedance measuring method according to claim 1, wherein the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side are monoatomic ions having a valence of 1. 支持層の上に分離機能層が担持されてなるフィルタ膜を電解液に浸漬して、前記分離機能層のインピーダンスを電気化学インピーダンス分光法によって測定するフィルタ膜のインピーダンス測定装置において、
前記分離機能層側の電解液に含まれるイオンの価数よりも大きい価数のイオンを含む電解液を前記支持層側に注入する電解液注入系を有することを特徴とするフィルタ膜のインピーダンス測定装置。
A filter membrane impedance measuring device for measuring the impedance of a separation functional layer by electrochemical impedance spectroscopy by immersing a filter membrane in which a separation functional layer is supported on a support layer in an electrolytic solution,
Impedance measurement of a filter membrane, characterized in that it has an electrolytic solution injection system for injecting an electrolytic solution containing ions with a higher valence than the ions contained in the electrolytic solution on the separation functional layer side into the support layer side. Device.
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