JP3741685B2 - 回転型膜分離装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固液分離、イオン除去、溶解性有機物除去、ラテックス濃縮、コロイドシリカ濃縮、有価物回収、廃液処理、金属分級、水道水濾過、活性汚泥処理、上水汚泥処理、食品廃液処理、ＣＯＤ低減、ＢＯＤ低減、スラリーおよびコロイド成分のダイアフィルトレーション等に好適に用いることができる回転型膜分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水の中に様々な物質を溶解した液（被処理液）を、清浄な水（透過液）と、粒子濃度の高い濃縮液とに分離するために膜分離装置が用いられている。膜分離装置には様々な形式のものがあるが、本発明の適用される回転型膜分離装置は、一般的に、容器の中心部を貫通するように回転軸を配し、この回転軸の軸長手方向に多数の膜体を装着し、回転軸とともに膜体を回転させつつ膜分離を行う方式である。その膜体は、一定以上の大きさの粒子の通過を妨げる小孔が表面に形成された多孔質の構造を備え透過液体を移送可能な経路を有する透過性膜を板の両面に取り付けた構造で、容器内に投入された被処理液中の極く微細な物質（膜体の小孔よりも小さい物質）のみが膜体の小孔を透過することによって透過液を得ることができる。この場合、被処理液中の一定以上の大きさの粒子が膜の小孔を閉塞したり、膜表面に粒子が付着あるいは堆積するファウリングを防ぐために、回転軸を回転させて、回転軸に装着された膜体を回転させることが行われている。しかし、回転するだけでは、被処理液が膜体と共回りして膜体の回転効果が十分に発揮されないので、膜孔の閉塞防止は不十分である。そのため、より効果的に膜孔の閉塞防止を図るための手段として、膜体表面に乱流を生じさせることにより共回りを防止し、膜体表面の被処理液を効率的に入れ替えることが提案されている。また、乱流を発生させることにより、濃度分極の低減も可能となり、このことによって、高濃縮が可能となる。また、膜の阻止性能を向上させることができる（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１には、図２４に示すように、回転軸３１を上下方向に延在させ、複数枚の円環板状の固定板３２を上下方向に積み重ねて回転軸３１に外嵌し、固定板３２によって円環板状の回転平膜３３の内縁部を挟持し、上下方向に延在させたタイロッド３４が固定板３２を貫通して下端部において回転軸３１のフランジ３１ａに螺着し上端部においてナット３５に螺合し、固定板３２と回転軸３１には半径方向の貫通孔３６が形成され、さらに回転軸３１には半径方向の貫通孔３６に連通する軸方向の貫通孔３７が形成され、複数枚の円環板状の固定板３８が上下方向に積み重ねられて上下で隣接する固定板３８の内縁部が円環板状のバッフル３９の外縁部を挟持し、バッフル３９は上下で隣接する回転平膜３３の間に延び、固定板３８を上下方向に延在させたタイロッド４０によって締結し、バッフル３９の厚さは隣接する回転平膜３３、３３間の距離の０．５〜０．９に設定された回転型膜分離装置が記載されている。この膜分離装置において、回転軸３１とともに回転平膜３３が回転駆動すると、ケーシングの底板４１に形成された入口４２を通ってケーシング内に流入した被処理液は、回転平膜３３により濾過され、回転平膜３３を透過した透過液は貫通孔３６および３７を通ってケーシングから排出される。一方、非透過液はケーシングの頂板４３に形成された出口４４を通ってケーシングから排出される。
【０００４】
このような回転型膜分離装置によれば、バッフルと回転平膜との相対回転によりバッフルと回転平膜との間に存在する被処理液にせん断力が働き、膜表面での濃度分極が抑制され、膜汚染が防止されるという効果が期待できる。すなわち、バッフルと膜体とが相対的に回転（一方が静止して他方が回転）すれば、膜孔の閉塞やファウリングを防止することが可能であって、膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配するという関係を保ったままで、膜体を固定してバッフルを回転させても、膜孔の閉塞やファウリングを防止することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２７７４６５号公報
【特許文献２】
特表２０００−５０１３３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の回転型膜分離装置では、膜分離性能を有効に発揮しうる適正な運転条件ならびに適正な装置のスペックが明確でなく、経済的で効率的な膜分離装置の運転が保証されていなかった。
【０００７】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、膜分離性能を効果的に発揮しうる適正な装置スペックを有する回転型膜分離装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配し、膜体またはバッフルを回転軸に装着し、実用的な膜体またはバッフル直径において、回転数の増加とともに透過流束が大きくなるような適正範囲の膜体またはバッフル回転数を採用したので、膜分離性能を効果的に発揮することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
すなわち、本発明は、被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、上記容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体を上記回転軸に装着し、上記膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配している回転型膜分離装置の運転方法であって、膜体直径が３００〜１０００mmで膜体の回転数が５０〜１０００ｒｐｍの範囲において運転することを特徴としている。この場合、膜体が回転してバッフルは固定されているが、逆に、膜体を固定してバッフルを回転させることもできる。通常、固定した邪魔板をバッフルと呼ぶが、本発明においては、邪魔板を回転させる場合にもバッフルと呼ぶ。
【００１０】
すなわち、本発明は、被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、上記容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配し、該バッフルを上記回転軸に装着している回転型膜分離装置の運転方法であって、膜体直径が３００〜１０００mmでバッフルの直径が膜体の直径とほぼ同じかそれより小さく、バッフルの回転数が５０〜１０００ｒｐｍの範囲において運転することも特徴としている。
【００１１】
上記のように構成される本発明の膜分離装置の運転方法によれば、図１０に示すように、膜体１２を矢視Ａで示すように右方向に回転させると、供給入口から容器内に供給され加圧された被処理液は、放射状バッフル２８のバッフル片２８ａの右側では、矢視Ｃで示すように、容器内壁１５に沿う流路１６からバッフル片２８ａに沿って容器内方に向かって流れ、一方、バッフル片２８ａの左側では、矢視Ｂで示すように、膜体１２表面の被処理液は容器内壁１５に沿う流路１６に向かって吐出される。このような膜体表面と容器内壁に沿う流路との間で形成される被処理液のフローにより、膜表面に被処理液が停滞せず、容器内の外方へ流れる液体と内方へ流れる液体の入れ替えがスムーズに行われる。また、被処理液は放射状バッフルにより乱流を発生させるので、ファウリングや濃度分極が低減され、効率的に膜分離を行うことができる。なお、バッフルの形状は放射状に限らず、長方形状を用いることも可能であり、さらに鉤形形状バッフルやＳ形形状バッフル、円弧形状バッフル等他の形状のバッフルを採用することもできる。すなわち、膜体表面に乱流を発生させる機能を有するような形状のものであれば、バッフルとして採用できる。以下、本発明の回転型膜分離装置の具体的な運転方法および回転型膜分離装置の装置スペックについて説明する。
（１）膜体直径と膜体の回転数ならびにバッフルの直径とバッフルの回転数
所定の透過流束を確保し、現実的に求められる処理量の工業装置とするためには、一定以上（例えば、１０ｍ2 以上）の膜面積が必要である。ところが、膜体直径を３００mm未満にした場合、必要な膜面積を確保するために非常に多くの枚数の膜体が必要になり、装置と回転軸が長くなりすぎ、現実の工業装置として成立しない。一方、膜体直径が大きくなれば、透過流束は増加し、また、回転軸を短くできるが、膜体直径の５乗に比例して回転に必要な動力が大きくなり、経済的な運転ができなくなるという不都合な点がある。しかも、一定以上に膜体直径が大きくなっても、透過流束の上昇量は少ない。
【００１２】
そこで、膜体直径は３００〜１０００mmの範囲とするのが、経済的で効率的な膜分離装置を実現できるので好ましい。
【００１３】
膜体表面に乱流を生じさせることにより効果的に膜孔の閉塞防止を図るには、膜体全面に回転効果を生じさせることのできるバッフル面積が必要であり、バッフル直径ｄは膜体直径Ｄに対して、ｄ／Ｄ≧０．５である必要がある。一方、バッフル直径の５乗に比例して回転に必要な動力が大きくなり、経済的な運転ができなくなるという不都合な点がある。
【００１４】
そこで、バッフル直径ｄと膜体直径Ｄとの割合は、０．５≦ｄ／Ｄ≦１．０の範囲とするのが、経済的で効率的な膜分離装置を実現できるので好ましく、撹拌効果を高めるためには、０．８≦ｄ／Ｄ≦１．０とするのが、さらに好ましい。
【００１５】
上記範囲の直径を有する膜体またはバッフルを回転させる場合、膜体またはバッフルの回転数が５０ｒｐｍ未満では膜孔閉塞防止効果やファウリング防止効果や濃度分極低減効果がほとんどなく、十分に実用に供しうる程度の大きさの透過流束を得ることはできない。一方、膜体またはバッフルの回転数が１０００ｒｐｍを超えると、遠心力が大きくなりすぎて、加圧された被処理液に付加された透過に有効な圧力が相殺されて透過効率が低下し、又、回転に必要な動力が大幅に増加する。そこで、膜体またはバッフルの回転数は、５０〜１０００ｒｐｍの範囲とするのが好ましい。
（２）膜体とバッフルの間隙
膜体とバッフルの間隙が２mm未満の場合、膜体とバッフルが接触しやすくなって膜体が破損することがあるので好ましくない。一方、膜体とバッフルの間隙が１２mmを超えると、必要な膜面積を確保するために装置の全長が長くなり、現実の工業装置として成立しない。また、膜体とバッフルが離れすぎると、バッフルによる乱流促進効果が期待できなくなる。そこで、膜体とバッフルの間隙は、２〜１２mmの範囲とするのが好ましい。
（３）膜体またはバッフル回転時の半径方向加速度
膜体またはバッフルを回転させると、膜体またはバッフルとともに回転する膜体またはバッフル近傍の被処理液には円の外側に向かう半径方向加速度が作用する。発明者の知見によれば、この半径方向加速度が膜分離性能に影響を与えることが分かった。すなわち、被処理液が高濃度のときは膜体またはバッフル回転時の半径方向加速度が２００ｍ／sec2以上の範囲において運転し、被処理液が低濃度のときは膜体またはバッフル回転時の半径方向加速度が１００ｍ／sec2以上の範囲において運転することにより、被処理液の粘性に応じて透過に有効な圧力が被処理液に付加されて、透過流束が大きくなるのである。
（４）バッフル形状
平板状バッフルによって均一に膜面を覆うと、被処理液は膜体とバッフルとの間の狭くて長い流路を通過するので、圧力損失が大きくなり、透過効率が低下するという欠点がある。また、平板状バッフルによって均一に膜面を覆うと、被処理液の乱れが小さいという欠点もある。そこで、不均一にバッフルが膜面を覆うと、乱流が大きく、濃度分極とファウリングの低減効果が大きいので、透過流束が大きくなり、バッフルの存在による圧力損失が小さくなる。例えば、回転軸を中心として容器内壁に向けて複数本のバッフルを放射状に配した構成のバッフル（放射状バッフル）を採用すれば、透過流束が大きくなることが期待できる。
（５）放射状バッフルの本数
バッフルの本数が少ないと透過流束は小さく、バッフルの本数が増えると透過流束は大きくなるが、一定以上にバッフル本数を増やしても、透過流束は大きくならない。そこで、放射状バッフルの本数は４〜１２本であるのが好ましい。
（６）膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積
投影面積が３０％未満では、膜体表面の乱流促進効果が少なく、７０％を超えると、被処理液の圧力損失が大きくなりすぎる。また、平板状バッフルに近づくため、乱流促進効果が少なくなる。そこで、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積は３０〜７０％であるのが好ましい。
（７）その他
バッフルは大きな容積を占めないように、極力厚さを薄くするのが好ましい。しかし、あまり薄すぎると、たわみやすくなって膜体に接触して膜体を破損することがあるので、バッフルは１mm以上の厚さにするのが好ましい。しかし、あまり大きな容積を占めないようにするためと膜体間のクリアランスが広くなりすぎて、装置と回転軸が長大にならないようにするため、バッフルの厚さは２０mm以下にするのが好ましい。また、たわみにくくするためには、バッフルの材質は、特に限定されるものではないが、鉄、ステンレス鋼等の種々の金属、プラスチック、セラミック、ガラス繊維強化プラスチックであるのが好ましい。
【００１６】
また、バッフルに多数の孔を打ち抜いたものや、エッチングを施してバッフルの表裏面を荒らしたものや、凹凸模様のついたロールにバッフルを押し付けて（エンボス加工を施して）、バッフルの表裏面に凹凸模様を施したものを使用することもできる。これら打ち抜き孔やエッチングやエンボス加工によりバッフルの乱流促進効果が増大し、透過流束が大きくなる。
【００１７】
また、膜体の厚みは１〜２０mmとするのが好ましい。１mm未満では強度的に不十分で、２０mmを超えると、膜体を収容する容器の容積が大きくなりすぎるからである。
【００１８】
また、膜体の形状は、円形を採用することができるが、必ずしも円形に限るものではなく、四角形以上の多角形状でもよい。
【００１９】
さらに、回転軸を中空とし且つ軸長手方向の膜体装着部分に小孔を設け、膜体は透過液体を移送可能な経路を有する透過性膜を板の両面に取り付けた構造であって、上記透過性膜の透過液体移送経路を回転軸に設けた小孔に連通するような構成を採用すれば、回転軸を透過液体の排出手段としても利用することができるので、膜分離装置がコンパクトになるという利点がある。
【００２０】
本明細書において、「直径」とは、「円または球の中心を通過して円周または球面上に両端を有する線分」をいうほか、「多角形においては、その中心から一頂点に至る距離の２倍の長さの線分」をもいう意である。
【００２１】
【実施例】
以下に、本発明の回転型膜分離装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の回転型膜分離装置の斜視図である。１は被処理液の供給入口で、円筒状容器２の中心部を貫通するように中空の回転軸３を配し、中空の回転軸３に装着した多数の膜体（図２の番号１２）で透過された液体は、中空の回転軸３内を通過して出口４、５から排出され、濃縮液は出口６から排出される。７は回転軸３とともに膜体を回転させるモータであり、モータ７の回転力は、ベルト８により回転軸３に伝達される。回転力の伝達はこれに限られるものではなく、モータ直結型、歯車減速機、巻き掛け伝導装置を用いてもよい。
【００２２】
本実施例で用いた膜体は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ポリプロピレン製の板体９の両面に織布のスペーサクロス１０を介してポリエーテルスルホン製の透過性膜１１を取り付けた構造である。なお、透過性膜を取り付ける板としては本実施例で用いたプラスチック板以外に金属板やセラミック板を用いることも可能であり、容易に変形せず、破損に強い材質を採用するのが好ましい。
【００２３】
本明細書において、透過性膜とは、多孔質な構造を有し、多孔質部分を経由することによって透過された液体を移送することの可能な経路（多孔質部分を接続することによって形成される流路）が内部に形成されたものをいい、このような機能を有するものであれば、上記の有機膜以外に、セラミック膜や金属膜を採用することもできる。
【００２４】
スペーサクロス１０も透過液体を移送可能であるが、スペーサクロス１０内の透過液体の流路は後記する透過性膜１１の透過液体移送経路２５より大径であって、透過液体はスペーサクロス１０内を流れやすくなっている。
【００２５】
プラスチック製の板体９とスペーサクロス１０と透過性膜１１からなる膜体１２を、図２（ａ）（ｂ）に示すように回転軸３に装着し、膜体１２の両側に膜体との間に間隙を設けて、ステンレス鋼製の円板状バッフル１３を配置し、円板状バッフル１３の内側端部は容器２の側壁１４の内壁面１５に支持固定されている。また、被処理液の供給入口１に接続された液体流路１６が側壁１４の内壁面１５に沿うように形成されている。
【００２６】
回転軸３は中空であって、図４（ａ）に示すように、軸長手方向の膜体１２装着部分に小孔１７を設け、膜体１２を構成する透過性膜１１の透過液体移送経路とスペーサクロス１０の透過液体移送流路は小孔１７に連通している。１８は、膜体１２の回転軸装着部分で、上下で隣接する膜体１２、１２の間に介装したスペーサである。また、図４（ｂ）に示すように、スペーサ１８と膜体１２が回転軸３に装着される部分の軸長手方向に複数のスリット１９を設け、このスリット１９を透過液体移送流路として利用して、回転軸３の端部に小孔１７を設け、透過性膜１１の透過液体移送経路とスペーサクロス１０の透過液体移送流路をスリット１９を経て小孔１７に通じるような構成を採用することもできる。なお、スリット１９を設けた場合も、小孔１７は端部だけでなく、処理流量等により一定間隔で設けてもよい。図４（ｂ）では省略しているが、回転軸３の他方の端部にも小孔１７が設けられている。
【００２７】
図３は、膜体１２の両側に膜体との間に間隙を設けて、回転軸３を中心として容器２の側壁１４の内壁面１５に向けて８本のステンレス鋼製のバッフル２０を放射状に配置した例を示す。バッフル２０は、容器２の頂面２ａと底面２ｂ（図１参照）を接続する貫通ボルト２１によって支持固定されている。なお、バッフルの材質は、上記した金属製以外にプラスチックやセラミックを採用することも可能である。
【００２８】
以上のように構成される膜分離装置の容器２内に加圧（約０．０１ＭＰａ以上の圧力）された被処理液を供給するか又は容器２内を被処理液で満たして、回転軸３を通して減圧もしくは吸引し、回転軸３を回転させると、図５（ａ）の矢印２２に示すように、遠心力によって半径方向外方への流れを生じる。しかも、膜体１２の両側にはバッフル１３が存在するので、膜体１２の膜孔を閉塞しようとする粒子の作用や濃度分極を妨げるような流れ２３が発生し、図５（ｂ）に示すように、膜孔２４が閉塞されることはなく、多孔質部分を接続することによって形成される経路２５からスペーサクロス１０内の流路を経た透過液は、図４（ａ）（ｂ）に示す小孔１７から中空回転軸３内を経由して、図１に示す出口４、５から排出され、一方、濃縮液は出口６から排出される。透過液は透過性膜内の狭い透過液体移送経路２５よりスペーサクロス１０内の広い流路を流れやすいので、透過液体移送経路２５から直接小孔１７に向かう透過液は少なく、スペーサクロス１０内の広い流路を経て小孔１７に達する透過液の方が多い。この点で、透過液が流れやすい流路を確保するために、板体９に透過液の流路を形成することも可能であって、この場合にはスペーサクロス１０は不要である。しかし、板体９に透過液の流路を形成することはコストが高くつくので、経済性の点でスペーサクロス１０を採用するのが好ましい。
【００２９】
図６は、膜体を固定して円板状バッフルを回転させる場合の一例を示し、膜体２６は容器２の側壁１４の内壁面１５に支持固定されており、膜体２６の両側に膜体２６との間に間隙を設けて配した円板状バッフル２７は回転軸３に装着されている。
【００３０】
図７は、膜体を固定して放射状バッフルを回転させる場合の一例を示し、膜体２６は容器２の側壁１４の内壁面１５に支持固定されており、膜体２６の両側に膜体２６との間に間隙を設けて配してなる、バッフル２８を放射状に配置した放射状バッフルは回転軸３に装着されている。
【００３１】
図８は、膜体を固定して放射状バッフルを回転させる場合において、放射状バッフルが回転軸に装着される箇所を拡大して示し、膜体２６は、図４（ａ）（ｂ）に示すものと同じように、ポリプロピレン製の板体９の両面に織布のスペーサクロス１０を介してポリエーテルスルホン製の透過性膜１１を取り付けた構造である。
【００３２】
図９は、膜体を固定して放射状バッフルを回転させる場合において、図９（ａ）は容器内壁近傍の膜体と放射状バッフルを拡大して示し、図９（ｂ）は透過性膜内の透過液体移送経路を拡大して示す。容器２内に加圧（０．０１ＭＰａ以上の圧力）された被処理液を供給するか又は容器２内を被処理液で満たして排出管３０を通して減圧もしくは吸引し、放射状バッフル２８を回転させると、図９（ａ）の矢印２２に示すように、遠心力によって半径方向外方への流れを生じる。放射状バッフル２８は膜体２６の両側に存在するので、膜体２６の膜孔を閉塞しようとする粒子の作用や濃度分極を妨げるような流れ２３が発生し、図９（ｂ）に示すように、膜孔２４が閉塞されることはなく、多孔質部分を接続することによって形成される経路２５からスペーサクロス１０内の流路を経た透過液は、図９（ａ）に示すように、容器２の側壁１４に設けた小孔２９ａ、２９ｂから排出管３０を経て排出され、一方、濃縮液は図１に示す容器２の底部の出口６から排出される。
【００３３】
次に、本発明の膜分離装置について、透過流束に及ぼす運転条件および装置スペックについて調査したので説明する。なお、以下の各実験に用いた円筒状容器２の内径は３５０mmであり、特に示したもの以外の膜体の直径は３００mmであり、これらの数値は各実験において共通である。また、ここでは膜体を回転させた場合の実験結果を示すが、バッフルを回転させても相対的な現象は同じなので、同じ結果が得られる。
（１）膜体直径と膜体回転数（図１１、図１２）
図１１は、濃度１重量％のラテックスを用いて、膜間差圧（膜体に対する流入側圧力から透過側圧力を引いた差分の圧力で、実際に被処理液の透過に利用された圧力）が２００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜が限外濾過膜（ＵＦ膜）で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％である場合において、膜体の直径を３００〜１２５０mmの範囲で変えて、膜体回転数と透過流束の関係を調査した結果である。図１２は、濃度３０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％である場合において、膜体の直径を３００〜１２５０mmの範囲で変えて、膜体回転数と透過流束の関係を調査した結果である。いわば、図１１は、低圧力、低濃度の低負荷状態における膜分離性能を表す図で、図１２は、高圧力、高濃度の高負荷状態における膜分離性能を表す図である。
【００３４】
図１１に示されているように、低負荷状態では、膜体直径が３００〜１２５０mmの間においては、回転数が５０ｒｐｍ以上になると、急激に透過流束が増加しているが、５０ｒｐｍ以上に回転数が増加した場合の透過流束の上昇量は少ない。
【００３５】
図１２に示されているように、高負荷状態では、膜体直径が大きくなった場合の回転数の増加に対する透過流束の増加割合は大きくなっているが、膜体直径が１０００mmから１２５０mmに増えても、透過流束はそれほど上昇しないことが分かる。また、膜体直径が３００〜１２５０mmの範囲の透過流束の最大値はほぼ同じで、直径３００mmの膜体でも、回転数１０００ｒｐｍで透過流束は最大値に達している。
【００３６】
装置が長くなりすぎないように現実的な膜枚数の装置を提供するということと、膜体直径に比例する回転に必要な動力が大きくなりすぎないようにするという点を考慮すると、図１１および図１２より、膜体直径は、３００〜１０００mmの範囲が適正であり、膜体の回転数は、５０〜１０００ｒｐｍが経済的で効率的な運転範囲であることが分かる。
（２）膜体とバッフルの間隙（図１３）
図１３は、濃度２０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、膜体とバッフルの間隙に対する透過流束の関係を調査した結果である。
【００３７】
図１３に示すように、膜体とバッフルの間隙が１２mmまでは、透過流束に大きな変化は見られないが、その間隙が１２mmを超えると、急激に透過流束は低下する。
【００３８】
膜体とバッフルの間隙が２mm未満の場合、膜体とバッフルが接触しやすくなって膜体が破損することがあり、膜体とバッフルの間隙が１２mmを超えると、図１３に示すように、透過流束が大きく低下する。しかも、膜体とバッフルが離れすぎると、必要な膜面積を確保するために装置の全長が長くなり、現実の工業装置として成立しない。そこで、膜体とバッフルの間隙は、２〜１２mmの範囲とするのが好ましい。
（３）バッフル形状（図１４）
図１４は、濃度３０重量％のラテックスを用いて、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、図２に示す円板状バッフル１３を用いた場合と、図３に示す放射状バッフル２０（バッフル本数が８本で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％）を用いた場合において、膜間差圧と透過流束の関係を調査した結果である。
【００３９】
図１４において、記号「○」は放射状バッフルを示し、記号「●」は円板状バッフルを示す。図１４に示すように、膜間差圧が大きくなると放射状バッフルの方が円板状バッフルより透過流束が大きく、放射状バッフルの方が円板状バッフルより膜分離性能が優れていることが分かる。
（４）放射状バッフルの本数（図１５）
図１５は、濃度２０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフルで、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、放射状バッフルの本数と透過流束の関係を調査した結果である。
【００４０】
図１５に示すように、バッフル本数が４本より少ないと透過流束は小さく、バッフル本数が増えると透過流束も大きくなるが、１２本より増えても透過流束はもはや大きくならないことが分かる。
【００４１】
そこで、放射状バッフルの本数は、４〜１２本が効率的に膜分離を行える範囲であることが分かる。
（５）膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積（図１６）
図１６は、濃度２０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積と透過流束の関係を調査した結果である。
【００４２】
図１６に示すように、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積が３０％以上において透過流束は急激に増加し、その投影面積が７０％を超えると透過流束は低下することが分かる。
【００４３】
そこで、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積は、３０〜７０％の範囲が効率的に膜分離を行える範囲であることが分かる。
（６）膜体回転時の半径方向加速度（図１７〜図２３）
膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を調査した結果を図１７〜図２３に示す。
【００４４】
なお、図１７〜図２３において、ｒは膜体半径［ｍ］、ωは角速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］を示し、ω＝２πｆ＝２π（ｎ／６０）で表され、ｆは周波数［Ｈｚ］、ｎは回転数［ｒｐｍ］である。
【００４５】
図１７〜図２０は、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図２に示す円板状バッフルで、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を調査した結果であり、図１７、図１８、図１９、図２０はそれぞれラテックス濃度が１重量％、１０重量％、２０重量％、３０重量％の場合を示す。図１７〜図２０に明らかなように、ラテックス濃度の高低に関わらず、すべての運転条件において、半径方向加速度と透過流束との間には、ほぼ一定の比例関係が見られ、操作圧力が高くなるほど透過流束は大きくなる。また、半径方向加速度が増加すると透過流束は大きくなるが、ラテックス濃度が低くなるほど低加速度域におけるその関係は顕著である。図１８〜図１２０より、ラテックス濃度が１０重量％以上の高濃度においては、半径方向加速度を２００ｍ／sec2以上としなければ、ある程度の透過流束は得られないが、図１７と図１８より、ラテックス濃度が１０重量％未満の低濃度においては、半径方向加速度が１００ｍ／sec2以上の範囲において、実用的に十分な透過流束が得られることが分かる。
【００４６】
図２１〜図２３は、図１７〜図２０を別のパラメーターで整理したもので、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図２に示す円板状バッフルで、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を調査した結果であり、図２１、図２２、図２３はそれぞれ膜間差圧（操作圧力）が２００ｋＰａ、３００ｋＰａ、４００ｋＰａの場合を示す。図２１〜図２３に明らかなように、操作圧力の高低に関わらず、すべての運転条件において、半径方向加速度と透過流束との間には、ほぼ一定の比例関係が見られ、濃度が低くなるほど透過流束は大きくなる。
【００４７】
なお、容器２は円筒状以外の形状、例えば、四角形以上の多角形または上蓋の無い槽形を採用することも可能である。
【００４８】
本実施例においては、装置を横にして用いる例を挙げているが、これに限られるものではなく、装置を縦にして用いることもできる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は上記のとおり構成されているので、膜分離性能を効果的に発揮しうる回転型膜分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転型膜分離装置の一実施例の斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の円板状バッフルと膜体と容器とを示す一実施例の断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のII−II矢視断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の放射状バッフルと膜体と容器とを示す一実施例の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIII−III矢視断面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の回転型膜分離装置の一実施例において、膜体が回転軸に装着される箇所を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）はその別の実施例の膜体が回転軸に装着される箇所を拡大して示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の回転型膜分離装置の一実施例において、容器内壁近傍の膜体と円板状バッフルを拡大して示す断面図であり、図５（ｂ）は、透過性膜内の透過液体移送経路を拡大して示す図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の円板状バッフルと膜体と容器とを示す別の実施例の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のVI−VI矢視断面図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の放射状バッフルと膜体と容器とを示す別の実施例の断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のVII−VII矢視断面図である。
【図８】本発明の回転型膜分離装置の別の実施例において、放射状バッフルが回転軸に装着される箇所を拡大して示す断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の回転型膜分離装置の一実施例において、容器内壁近傍の膜体と放射状バッフルを拡大して示す断面図であり、図９（ｂ）は、透過性膜内の透過液体移送経路を拡大して示す図である。
【図１０】本発明の回転型膜分離装置における被処理液のフローを示す図である。
【図１１】放射状バッフルを用いて低濃度ラテックスを膜分離する場合において、膜体直径をパラメーターとして、膜体回転数と透過流束の関係を示す図である。
【図１２】放射状バッフルを用いて高濃度ラテックスを膜分離する場合において、膜体直径をパラメーターとして、膜体回転数と透過流束の関係を示す図である。
【図１３】放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜体とバッフルの間隙に対する透過流束の関係を示す図である。
【図１４】円板状バッフルまたは放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧と透過流束の関係を示す図である。
【図１５】放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、放射状バッフルの本数と透過流束の関係を示す図である。
【図１６】放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積と透過流束の関係を示す図である。
【図１７】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図である。
【図１８】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図１７とは別の図である。
【図１９】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図１７および図１８とは別の図である。
【図２０】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図１７、図１８および図１９とは別の図である。
【図２１】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図である。
【図２２】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図２１とは別の図である。
【図２３】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図２１および図２２とは別の図である。
【図２４】従来の回転型膜分離装置の断面図である。
【符号の説明】
１…供給入口
２…容器
３…回転軸
４、５、６…出口
７…モータ
８…ベルト
９…板体
１０…スペーサークロス
１１…透過性膜
１２、２６…膜体
１３、２７…円板状バッフル
１４…側壁
１５…内壁面
１６…液体流路
１７…小孔
１８…スペーサ
１９…スリット
２０、２８…放射状バッフル
２１…貫通ボルト
２４…膜孔
２５…透過液体移送経路
【発明の属する技術分野】
本発明は、固液分離、イオン除去、溶解性有機物除去、ラテックス濃縮、コロイドシリカ濃縮、有価物回収、廃液処理、金属分級、水道水濾過、活性汚泥処理、上水汚泥処理、食品廃液処理、ＣＯＤ低減、ＢＯＤ低減、スラリーおよびコロイド成分のダイアフィルトレーション等に好適に用いることができる回転型膜分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水の中に様々な物質を溶解した液（被処理液）を、清浄な水（透過液）と、粒子濃度の高い濃縮液とに分離するために膜分離装置が用いられている。膜分離装置には様々な形式のものがあるが、本発明の適用される回転型膜分離装置は、一般的に、容器の中心部を貫通するように回転軸を配し、この回転軸の軸長手方向に多数の膜体を装着し、回転軸とともに膜体を回転させつつ膜分離を行う方式である。その膜体は、一定以上の大きさの粒子の通過を妨げる小孔が表面に形成された多孔質の構造を備え透過液体を移送可能な経路を有する透過性膜を板の両面に取り付けた構造で、容器内に投入された被処理液中の極く微細な物質（膜体の小孔よりも小さい物質）のみが膜体の小孔を透過することによって透過液を得ることができる。この場合、被処理液中の一定以上の大きさの粒子が膜の小孔を閉塞したり、膜表面に粒子が付着あるいは堆積するファウリングを防ぐために、回転軸を回転させて、回転軸に装着された膜体を回転させることが行われている。しかし、回転するだけでは、被処理液が膜体と共回りして膜体の回転効果が十分に発揮されないので、膜孔の閉塞防止は不十分である。そのため、より効果的に膜孔の閉塞防止を図るための手段として、膜体表面に乱流を生じさせることにより共回りを防止し、膜体表面の被処理液を効率的に入れ替えることが提案されている。また、乱流を発生させることにより、濃度分極の低減も可能となり、このことによって、高濃縮が可能となる。また、膜の阻止性能を向上させることができる（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１には、図２４に示すように、回転軸３１を上下方向に延在させ、複数枚の円環板状の固定板３２を上下方向に積み重ねて回転軸３１に外嵌し、固定板３２によって円環板状の回転平膜３３の内縁部を挟持し、上下方向に延在させたタイロッド３４が固定板３２を貫通して下端部において回転軸３１のフランジ３１ａに螺着し上端部においてナット３５に螺合し、固定板３２と回転軸３１には半径方向の貫通孔３６が形成され、さらに回転軸３１には半径方向の貫通孔３６に連通する軸方向の貫通孔３７が形成され、複数枚の円環板状の固定板３８が上下方向に積み重ねられて上下で隣接する固定板３８の内縁部が円環板状のバッフル３９の外縁部を挟持し、バッフル３９は上下で隣接する回転平膜３３の間に延び、固定板３８を上下方向に延在させたタイロッド４０によって締結し、バッフル３９の厚さは隣接する回転平膜３３、３３間の距離の０．５〜０．９に設定された回転型膜分離装置が記載されている。この膜分離装置において、回転軸３１とともに回転平膜３３が回転駆動すると、ケーシングの底板４１に形成された入口４２を通ってケーシング内に流入した被処理液は、回転平膜３３により濾過され、回転平膜３３を透過した透過液は貫通孔３６および３７を通ってケーシングから排出される。一方、非透過液はケーシングの頂板４３に形成された出口４４を通ってケーシングから排出される。
【０００４】
このような回転型膜分離装置によれば、バッフルと回転平膜との相対回転によりバッフルと回転平膜との間に存在する被処理液にせん断力が働き、膜表面での濃度分極が抑制され、膜汚染が防止されるという効果が期待できる。すなわち、バッフルと膜体とが相対的に回転（一方が静止して他方が回転）すれば、膜孔の閉塞やファウリングを防止することが可能であって、膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配するという関係を保ったままで、膜体を固定してバッフルを回転させても、膜孔の閉塞やファウリングを防止することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２７７４６５号公報
【特許文献２】
特表２０００−５０１３３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の回転型膜分離装置では、膜分離性能を有効に発揮しうる適正な運転条件ならびに適正な装置のスペックが明確でなく、経済的で効率的な膜分離装置の運転が保証されていなかった。
【０００７】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、膜分離性能を効果的に発揮しうる適正な装置スペックを有する回転型膜分離装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配し、膜体またはバッフルを回転軸に装着し、実用的な膜体またはバッフル直径において、回転数の増加とともに透過流束が大きくなるような適正範囲の膜体またはバッフル回転数を採用したので、膜分離性能を効果的に発揮することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
すなわち、本発明は、被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、上記容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体を上記回転軸に装着し、上記膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配している回転型膜分離装置の運転方法であって、膜体直径が３００〜１０００mmで膜体の回転数が５０〜１０００ｒｐｍの範囲において運転することを特徴としている。この場合、膜体が回転してバッフルは固定されているが、逆に、膜体を固定してバッフルを回転させることもできる。通常、固定した邪魔板をバッフルと呼ぶが、本発明においては、邪魔板を回転させる場合にもバッフルと呼ぶ。
【００１０】
すなわち、本発明は、被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、上記容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体の両側に膜体との間に間隙を設けてバッフルを配し、該バッフルを上記回転軸に装着している回転型膜分離装置の運転方法であって、膜体直径が３００〜１０００mmでバッフルの直径が膜体の直径とほぼ同じかそれより小さく、バッフルの回転数が５０〜１０００ｒｐｍの範囲において運転することも特徴としている。
【００１１】
上記のように構成される本発明の膜分離装置の運転方法によれば、図１０に示すように、膜体１２を矢視Ａで示すように右方向に回転させると、供給入口から容器内に供給され加圧された被処理液は、放射状バッフル２８のバッフル片２８ａの右側では、矢視Ｃで示すように、容器内壁１５に沿う流路１６からバッフル片２８ａに沿って容器内方に向かって流れ、一方、バッフル片２８ａの左側では、矢視Ｂで示すように、膜体１２表面の被処理液は容器内壁１５に沿う流路１６に向かって吐出される。このような膜体表面と容器内壁に沿う流路との間で形成される被処理液のフローにより、膜表面に被処理液が停滞せず、容器内の外方へ流れる液体と内方へ流れる液体の入れ替えがスムーズに行われる。また、被処理液は放射状バッフルにより乱流を発生させるので、ファウリングや濃度分極が低減され、効率的に膜分離を行うことができる。なお、バッフルの形状は放射状に限らず、長方形状を用いることも可能であり、さらに鉤形形状バッフルやＳ形形状バッフル、円弧形状バッフル等他の形状のバッフルを採用することもできる。すなわち、膜体表面に乱流を発生させる機能を有するような形状のものであれば、バッフルとして採用できる。以下、本発明の回転型膜分離装置の具体的な運転方法および回転型膜分離装置の装置スペックについて説明する。
（１）膜体直径と膜体の回転数ならびにバッフルの直径とバッフルの回転数
所定の透過流束を確保し、現実的に求められる処理量の工業装置とするためには、一定以上（例えば、１０ｍ2 以上）の膜面積が必要である。ところが、膜体直径を３００mm未満にした場合、必要な膜面積を確保するために非常に多くの枚数の膜体が必要になり、装置と回転軸が長くなりすぎ、現実の工業装置として成立しない。一方、膜体直径が大きくなれば、透過流束は増加し、また、回転軸を短くできるが、膜体直径の５乗に比例して回転に必要な動力が大きくなり、経済的な運転ができなくなるという不都合な点がある。しかも、一定以上に膜体直径が大きくなっても、透過流束の上昇量は少ない。
【００１２】
そこで、膜体直径は３００〜１０００mmの範囲とするのが、経済的で効率的な膜分離装置を実現できるので好ましい。
【００１３】
膜体表面に乱流を生じさせることにより効果的に膜孔の閉塞防止を図るには、膜体全面に回転効果を生じさせることのできるバッフル面積が必要であり、バッフル直径ｄは膜体直径Ｄに対して、ｄ／Ｄ≧０．５である必要がある。一方、バッフル直径の５乗に比例して回転に必要な動力が大きくなり、経済的な運転ができなくなるという不都合な点がある。
【００１４】
そこで、バッフル直径ｄと膜体直径Ｄとの割合は、０．５≦ｄ／Ｄ≦１．０の範囲とするのが、経済的で効率的な膜分離装置を実現できるので好ましく、撹拌効果を高めるためには、０．８≦ｄ／Ｄ≦１．０とするのが、さらに好ましい。
【００１５】
上記範囲の直径を有する膜体またはバッフルを回転させる場合、膜体またはバッフルの回転数が５０ｒｐｍ未満では膜孔閉塞防止効果やファウリング防止効果や濃度分極低減効果がほとんどなく、十分に実用に供しうる程度の大きさの透過流束を得ることはできない。一方、膜体またはバッフルの回転数が１０００ｒｐｍを超えると、遠心力が大きくなりすぎて、加圧された被処理液に付加された透過に有効な圧力が相殺されて透過効率が低下し、又、回転に必要な動力が大幅に増加する。そこで、膜体またはバッフルの回転数は、５０〜１０００ｒｐｍの範囲とするのが好ましい。
（２）膜体とバッフルの間隙
膜体とバッフルの間隙が２mm未満の場合、膜体とバッフルが接触しやすくなって膜体が破損することがあるので好ましくない。一方、膜体とバッフルの間隙が１２mmを超えると、必要な膜面積を確保するために装置の全長が長くなり、現実の工業装置として成立しない。また、膜体とバッフルが離れすぎると、バッフルによる乱流促進効果が期待できなくなる。そこで、膜体とバッフルの間隙は、２〜１２mmの範囲とするのが好ましい。
（３）膜体またはバッフル回転時の半径方向加速度
膜体またはバッフルを回転させると、膜体またはバッフルとともに回転する膜体またはバッフル近傍の被処理液には円の外側に向かう半径方向加速度が作用する。発明者の知見によれば、この半径方向加速度が膜分離性能に影響を与えることが分かった。すなわち、被処理液が高濃度のときは膜体またはバッフル回転時の半径方向加速度が２００ｍ／sec2以上の範囲において運転し、被処理液が低濃度のときは膜体またはバッフル回転時の半径方向加速度が１００ｍ／sec2以上の範囲において運転することにより、被処理液の粘性に応じて透過に有効な圧力が被処理液に付加されて、透過流束が大きくなるのである。
（４）バッフル形状
平板状バッフルによって均一に膜面を覆うと、被処理液は膜体とバッフルとの間の狭くて長い流路を通過するので、圧力損失が大きくなり、透過効率が低下するという欠点がある。また、平板状バッフルによって均一に膜面を覆うと、被処理液の乱れが小さいという欠点もある。そこで、不均一にバッフルが膜面を覆うと、乱流が大きく、濃度分極とファウリングの低減効果が大きいので、透過流束が大きくなり、バッフルの存在による圧力損失が小さくなる。例えば、回転軸を中心として容器内壁に向けて複数本のバッフルを放射状に配した構成のバッフル（放射状バッフル）を採用すれば、透過流束が大きくなることが期待できる。
（５）放射状バッフルの本数
バッフルの本数が少ないと透過流束は小さく、バッフルの本数が増えると透過流束は大きくなるが、一定以上にバッフル本数を増やしても、透過流束は大きくならない。そこで、放射状バッフルの本数は４〜１２本であるのが好ましい。
（６）膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積
投影面積が３０％未満では、膜体表面の乱流促進効果が少なく、７０％を超えると、被処理液の圧力損失が大きくなりすぎる。また、平板状バッフルに近づくため、乱流促進効果が少なくなる。そこで、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積は３０〜７０％であるのが好ましい。
（７）その他
バッフルは大きな容積を占めないように、極力厚さを薄くするのが好ましい。しかし、あまり薄すぎると、たわみやすくなって膜体に接触して膜体を破損することがあるので、バッフルは１mm以上の厚さにするのが好ましい。しかし、あまり大きな容積を占めないようにするためと膜体間のクリアランスが広くなりすぎて、装置と回転軸が長大にならないようにするため、バッフルの厚さは２０mm以下にするのが好ましい。また、たわみにくくするためには、バッフルの材質は、特に限定されるものではないが、鉄、ステンレス鋼等の種々の金属、プラスチック、セラミック、ガラス繊維強化プラスチックであるのが好ましい。
【００１６】
また、バッフルに多数の孔を打ち抜いたものや、エッチングを施してバッフルの表裏面を荒らしたものや、凹凸模様のついたロールにバッフルを押し付けて（エンボス加工を施して）、バッフルの表裏面に凹凸模様を施したものを使用することもできる。これら打ち抜き孔やエッチングやエンボス加工によりバッフルの乱流促進効果が増大し、透過流束が大きくなる。
【００１７】
また、膜体の厚みは１〜２０mmとするのが好ましい。１mm未満では強度的に不十分で、２０mmを超えると、膜体を収容する容器の容積が大きくなりすぎるからである。
【００１８】
また、膜体の形状は、円形を採用することができるが、必ずしも円形に限るものではなく、四角形以上の多角形状でもよい。
【００１９】
さらに、回転軸を中空とし且つ軸長手方向の膜体装着部分に小孔を設け、膜体は透過液体を移送可能な経路を有する透過性膜を板の両面に取り付けた構造であって、上記透過性膜の透過液体移送経路を回転軸に設けた小孔に連通するような構成を採用すれば、回転軸を透過液体の排出手段としても利用することができるので、膜分離装置がコンパクトになるという利点がある。
【００２０】
本明細書において、「直径」とは、「円または球の中心を通過して円周または球面上に両端を有する線分」をいうほか、「多角形においては、その中心から一頂点に至る距離の２倍の長さの線分」をもいう意である。
【００２１】
【実施例】
以下に、本発明の回転型膜分離装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の回転型膜分離装置の斜視図である。１は被処理液の供給入口で、円筒状容器２の中心部を貫通するように中空の回転軸３を配し、中空の回転軸３に装着した多数の膜体（図２の番号１２）で透過された液体は、中空の回転軸３内を通過して出口４、５から排出され、濃縮液は出口６から排出される。７は回転軸３とともに膜体を回転させるモータであり、モータ７の回転力は、ベルト８により回転軸３に伝達される。回転力の伝達はこれに限られるものではなく、モータ直結型、歯車減速機、巻き掛け伝導装置を用いてもよい。
【００２２】
本実施例で用いた膜体は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ポリプロピレン製の板体９の両面に織布のスペーサクロス１０を介してポリエーテルスルホン製の透過性膜１１を取り付けた構造である。なお、透過性膜を取り付ける板としては本実施例で用いたプラスチック板以外に金属板やセラミック板を用いることも可能であり、容易に変形せず、破損に強い材質を採用するのが好ましい。
【００２３】
本明細書において、透過性膜とは、多孔質な構造を有し、多孔質部分を経由することによって透過された液体を移送することの可能な経路（多孔質部分を接続することによって形成される流路）が内部に形成されたものをいい、このような機能を有するものであれば、上記の有機膜以外に、セラミック膜や金属膜を採用することもできる。
【００２４】
スペーサクロス１０も透過液体を移送可能であるが、スペーサクロス１０内の透過液体の流路は後記する透過性膜１１の透過液体移送経路２５より大径であって、透過液体はスペーサクロス１０内を流れやすくなっている。
【００２５】
プラスチック製の板体９とスペーサクロス１０と透過性膜１１からなる膜体１２を、図２（ａ）（ｂ）に示すように回転軸３に装着し、膜体１２の両側に膜体との間に間隙を設けて、ステンレス鋼製の円板状バッフル１３を配置し、円板状バッフル１３の内側端部は容器２の側壁１４の内壁面１５に支持固定されている。また、被処理液の供給入口１に接続された液体流路１６が側壁１４の内壁面１５に沿うように形成されている。
【００２６】
回転軸３は中空であって、図４（ａ）に示すように、軸長手方向の膜体１２装着部分に小孔１７を設け、膜体１２を構成する透過性膜１１の透過液体移送経路とスペーサクロス１０の透過液体移送流路は小孔１７に連通している。１８は、膜体１２の回転軸装着部分で、上下で隣接する膜体１２、１２の間に介装したスペーサである。また、図４（ｂ）に示すように、スペーサ１８と膜体１２が回転軸３に装着される部分の軸長手方向に複数のスリット１９を設け、このスリット１９を透過液体移送流路として利用して、回転軸３の端部に小孔１７を設け、透過性膜１１の透過液体移送経路とスペーサクロス１０の透過液体移送流路をスリット１９を経て小孔１７に通じるような構成を採用することもできる。なお、スリット１９を設けた場合も、小孔１７は端部だけでなく、処理流量等により一定間隔で設けてもよい。図４（ｂ）では省略しているが、回転軸３の他方の端部にも小孔１７が設けられている。
【００２７】
図３は、膜体１２の両側に膜体との間に間隙を設けて、回転軸３を中心として容器２の側壁１４の内壁面１５に向けて８本のステンレス鋼製のバッフル２０を放射状に配置した例を示す。バッフル２０は、容器２の頂面２ａと底面２ｂ（図１参照）を接続する貫通ボルト２１によって支持固定されている。なお、バッフルの材質は、上記した金属製以外にプラスチックやセラミックを採用することも可能である。
【００２８】
以上のように構成される膜分離装置の容器２内に加圧（約０．０１ＭＰａ以上の圧力）された被処理液を供給するか又は容器２内を被処理液で満たして、回転軸３を通して減圧もしくは吸引し、回転軸３を回転させると、図５（ａ）の矢印２２に示すように、遠心力によって半径方向外方への流れを生じる。しかも、膜体１２の両側にはバッフル１３が存在するので、膜体１２の膜孔を閉塞しようとする粒子の作用や濃度分極を妨げるような流れ２３が発生し、図５（ｂ）に示すように、膜孔２４が閉塞されることはなく、多孔質部分を接続することによって形成される経路２５からスペーサクロス１０内の流路を経た透過液は、図４（ａ）（ｂ）に示す小孔１７から中空回転軸３内を経由して、図１に示す出口４、５から排出され、一方、濃縮液は出口６から排出される。透過液は透過性膜内の狭い透過液体移送経路２５よりスペーサクロス１０内の広い流路を流れやすいので、透過液体移送経路２５から直接小孔１７に向かう透過液は少なく、スペーサクロス１０内の広い流路を経て小孔１７に達する透過液の方が多い。この点で、透過液が流れやすい流路を確保するために、板体９に透過液の流路を形成することも可能であって、この場合にはスペーサクロス１０は不要である。しかし、板体９に透過液の流路を形成することはコストが高くつくので、経済性の点でスペーサクロス１０を採用するのが好ましい。
【００２９】
図６は、膜体を固定して円板状バッフルを回転させる場合の一例を示し、膜体２６は容器２の側壁１４の内壁面１５に支持固定されており、膜体２６の両側に膜体２６との間に間隙を設けて配した円板状バッフル２７は回転軸３に装着されている。
【００３０】
図７は、膜体を固定して放射状バッフルを回転させる場合の一例を示し、膜体２６は容器２の側壁１４の内壁面１５に支持固定されており、膜体２６の両側に膜体２６との間に間隙を設けて配してなる、バッフル２８を放射状に配置した放射状バッフルは回転軸３に装着されている。
【００３１】
図８は、膜体を固定して放射状バッフルを回転させる場合において、放射状バッフルが回転軸に装着される箇所を拡大して示し、膜体２６は、図４（ａ）（ｂ）に示すものと同じように、ポリプロピレン製の板体９の両面に織布のスペーサクロス１０を介してポリエーテルスルホン製の透過性膜１１を取り付けた構造である。
【００３２】
図９は、膜体を固定して放射状バッフルを回転させる場合において、図９（ａ）は容器内壁近傍の膜体と放射状バッフルを拡大して示し、図９（ｂ）は透過性膜内の透過液体移送経路を拡大して示す。容器２内に加圧（０．０１ＭＰａ以上の圧力）された被処理液を供給するか又は容器２内を被処理液で満たして排出管３０を通して減圧もしくは吸引し、放射状バッフル２８を回転させると、図９（ａ）の矢印２２に示すように、遠心力によって半径方向外方への流れを生じる。放射状バッフル２８は膜体２６の両側に存在するので、膜体２６の膜孔を閉塞しようとする粒子の作用や濃度分極を妨げるような流れ２３が発生し、図９（ｂ）に示すように、膜孔２４が閉塞されることはなく、多孔質部分を接続することによって形成される経路２５からスペーサクロス１０内の流路を経た透過液は、図９（ａ）に示すように、容器２の側壁１４に設けた小孔２９ａ、２９ｂから排出管３０を経て排出され、一方、濃縮液は図１に示す容器２の底部の出口６から排出される。
【００３３】
次に、本発明の膜分離装置について、透過流束に及ぼす運転条件および装置スペックについて調査したので説明する。なお、以下の各実験に用いた円筒状容器２の内径は３５０mmであり、特に示したもの以外の膜体の直径は３００mmであり、これらの数値は各実験において共通である。また、ここでは膜体を回転させた場合の実験結果を示すが、バッフルを回転させても相対的な現象は同じなので、同じ結果が得られる。
（１）膜体直径と膜体回転数（図１１、図１２）
図１１は、濃度１重量％のラテックスを用いて、膜間差圧（膜体に対する流入側圧力から透過側圧力を引いた差分の圧力で、実際に被処理液の透過に利用された圧力）が２００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜が限外濾過膜（ＵＦ膜）で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％である場合において、膜体の直径を３００〜１２５０mmの範囲で変えて、膜体回転数と透過流束の関係を調査した結果である。図１２は、濃度３０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％である場合において、膜体の直径を３００〜１２５０mmの範囲で変えて、膜体回転数と透過流束の関係を調査した結果である。いわば、図１１は、低圧力、低濃度の低負荷状態における膜分離性能を表す図で、図１２は、高圧力、高濃度の高負荷状態における膜分離性能を表す図である。
【００３４】
図１１に示されているように、低負荷状態では、膜体直径が３００〜１２５０mmの間においては、回転数が５０ｒｐｍ以上になると、急激に透過流束が増加しているが、５０ｒｐｍ以上に回転数が増加した場合の透過流束の上昇量は少ない。
【００３５】
図１２に示されているように、高負荷状態では、膜体直径が大きくなった場合の回転数の増加に対する透過流束の増加割合は大きくなっているが、膜体直径が１０００mmから１２５０mmに増えても、透過流束はそれほど上昇しないことが分かる。また、膜体直径が３００〜１２５０mmの範囲の透過流束の最大値はほぼ同じで、直径３００mmの膜体でも、回転数１０００ｒｐｍで透過流束は最大値に達している。
【００３６】
装置が長くなりすぎないように現実的な膜枚数の装置を提供するということと、膜体直径に比例する回転に必要な動力が大きくなりすぎないようにするという点を考慮すると、図１１および図１２より、膜体直径は、３００〜１０００mmの範囲が適正であり、膜体の回転数は、５０〜１０００ｒｐｍが経済的で効率的な運転範囲であることが分かる。
（２）膜体とバッフルの間隙（図１３）
図１３は、濃度２０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、膜体とバッフルの間隙に対する透過流束の関係を調査した結果である。
【００３７】
図１３に示すように、膜体とバッフルの間隙が１２mmまでは、透過流束に大きな変化は見られないが、その間隙が１２mmを超えると、急激に透過流束は低下する。
【００３８】
膜体とバッフルの間隙が２mm未満の場合、膜体とバッフルが接触しやすくなって膜体が破損することがあり、膜体とバッフルの間隙が１２mmを超えると、図１３に示すように、透過流束が大きく低下する。しかも、膜体とバッフルが離れすぎると、必要な膜面積を確保するために装置の全長が長くなり、現実の工業装置として成立しない。そこで、膜体とバッフルの間隙は、２〜１２mmの範囲とするのが好ましい。
（３）バッフル形状（図１４）
図１４は、濃度３０重量％のラテックスを用いて、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、図２に示す円板状バッフル１３を用いた場合と、図３に示す放射状バッフル２０（バッフル本数が８本で、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％）を用いた場合において、膜間差圧と透過流束の関係を調査した結果である。
【００３９】
図１４において、記号「○」は放射状バッフルを示し、記号「●」は円板状バッフルを示す。図１４に示すように、膜間差圧が大きくなると放射状バッフルの方が円板状バッフルより透過流束が大きく、放射状バッフルの方が円板状バッフルより膜分離性能が優れていることが分かる。
（４）放射状バッフルの本数（図１５）
図１５は、濃度２０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフルで、膜体の表面積に対するバッフルの投影面積が４０％で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、放射状バッフルの本数と透過流束の関係を調査した結果である。
【００４０】
図１５に示すように、バッフル本数が４本より少ないと透過流束は小さく、バッフル本数が増えると透過流束も大きくなるが、１２本より増えても透過流束はもはや大きくならないことが分かる。
【００４１】
そこで、放射状バッフルの本数は、４〜１２本が効率的に膜分離を行える範囲であることが分かる。
（５）膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積（図１６）
図１６は、濃度２０重量％のラテックスを用いて、膜間差圧が４００ｋＰａで、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図３に示す放射状バッフル（バッフル本数が８本）で、膜体の回転数が５５０ｒｐｍである場合において、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積と透過流束の関係を調査した結果である。
【００４２】
図１６に示すように、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積が３０％以上において透過流束は急激に増加し、その投影面積が７０％を超えると透過流束は低下することが分かる。
【００４３】
そこで、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積は、３０〜７０％の範囲が効率的に膜分離を行える範囲であることが分かる。
（６）膜体回転時の半径方向加速度（図１７〜図２３）
膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を調査した結果を図１７〜図２３に示す。
【００４４】
なお、図１７〜図２３において、ｒは膜体半径［ｍ］、ωは角速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］を示し、ω＝２πｆ＝２π（ｎ／６０）で表され、ｆは周波数［Ｈｚ］、ｎは回転数［ｒｐｍ］である。
【００４５】
図１７〜図２０は、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図２に示す円板状バッフルで、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を調査した結果であり、図１７、図１８、図１９、図２０はそれぞれラテックス濃度が１重量％、１０重量％、２０重量％、３０重量％の場合を示す。図１７〜図２０に明らかなように、ラテックス濃度の高低に関わらず、すべての運転条件において、半径方向加速度と透過流束との間には、ほぼ一定の比例関係が見られ、操作圧力が高くなるほど透過流束は大きくなる。また、半径方向加速度が増加すると透過流束は大きくなるが、ラテックス濃度が低くなるほど低加速度域におけるその関係は顕著である。図１８〜図１２０より、ラテックス濃度が１０重量％以上の高濃度においては、半径方向加速度を２００ｍ／sec2以上としなければ、ある程度の透過流束は得られないが、図１７と図１８より、ラテックス濃度が１０重量％未満の低濃度においては、半径方向加速度が１００ｍ／sec2以上の範囲において、実用的に十分な透過流束が得られることが分かる。
【００４６】
図２１〜図２３は、図１７〜図２０を別のパラメーターで整理したもので、温度が２５℃で、膜がＵＦ膜で、バッフルが図２に示す円板状バッフルで、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を調査した結果であり、図２１、図２２、図２３はそれぞれ膜間差圧（操作圧力）が２００ｋＰａ、３００ｋＰａ、４００ｋＰａの場合を示す。図２１〜図２３に明らかなように、操作圧力の高低に関わらず、すべての運転条件において、半径方向加速度と透過流束との間には、ほぼ一定の比例関係が見られ、濃度が低くなるほど透過流束は大きくなる。
【００４７】
なお、容器２は円筒状以外の形状、例えば、四角形以上の多角形または上蓋の無い槽形を採用することも可能である。
【００４８】
本実施例においては、装置を横にして用いる例を挙げているが、これに限られるものではなく、装置を縦にして用いることもできる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は上記のとおり構成されているので、膜分離性能を効果的に発揮しうる回転型膜分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転型膜分離装置の一実施例の斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の円板状バッフルと膜体と容器とを示す一実施例の断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のII−II矢視断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の放射状バッフルと膜体と容器とを示す一実施例の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIII−III矢視断面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の回転型膜分離装置の一実施例において、膜体が回転軸に装着される箇所を拡大して示す断面図であり、図４（ｂ）はその別の実施例の膜体が回転軸に装着される箇所を拡大して示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の回転型膜分離装置の一実施例において、容器内壁近傍の膜体と円板状バッフルを拡大して示す断面図であり、図５（ｂ）は、透過性膜内の透過液体移送経路を拡大して示す図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の円板状バッフルと膜体と容器とを示す別の実施例の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のVI−VI矢視断面図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の回転型膜分離装置の放射状バッフルと膜体と容器とを示す別の実施例の断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のVII−VII矢視断面図である。
【図８】本発明の回転型膜分離装置の別の実施例において、放射状バッフルが回転軸に装着される箇所を拡大して示す断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の回転型膜分離装置の一実施例において、容器内壁近傍の膜体と放射状バッフルを拡大して示す断面図であり、図９（ｂ）は、透過性膜内の透過液体移送経路を拡大して示す図である。
【図１０】本発明の回転型膜分離装置における被処理液のフローを示す図である。
【図１１】放射状バッフルを用いて低濃度ラテックスを膜分離する場合において、膜体直径をパラメーターとして、膜体回転数と透過流束の関係を示す図である。
【図１２】放射状バッフルを用いて高濃度ラテックスを膜分離する場合において、膜体直径をパラメーターとして、膜体回転数と透過流束の関係を示す図である。
【図１３】放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜体とバッフルの間隙に対する透過流束の関係を示す図である。
【図１４】円板状バッフルまたは放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧と透過流束の関係を示す図である。
【図１５】放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、放射状バッフルの本数と透過流束の関係を示す図である。
【図１６】放射状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積と透過流束の関係を示す図である。
【図１７】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図である。
【図１８】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図１７とは別の図である。
【図１９】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図１７および図１８とは別の図である。
【図２０】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、膜間差圧（操作圧力）をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図１７、図１８および図１９とは別の図である。
【図２１】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図である。
【図２２】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図２１とは別の図である。
【図２３】円板状バッフルを用いて膜分離する場合において、ラテックス濃度をパラメーターとして、膜体回転時の半径方向加速度に対する透過流束の関係を示す図２１および図２２とは別の図である。
【図２４】従来の回転型膜分離装置の断面図である。
【符号の説明】
１…供給入口
２…容器
３…回転軸
４、５、６…出口
７…モータ
８…ベルト
９…板体
１０…スペーサークロス
１１…透過性膜
１２、２６…膜体
１３、２７…円板状バッフル
１４…側壁
１５…内壁面
１６…液体流路
１７…小孔
１８…スペーサ
１９…スリット
２０、２８…放射状バッフル
２１…貫通ボルト
２４…膜孔
２５…透過液体移送経路
Claims (2)
- 被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、上記容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体を上記回転軸に装着し、上記膜体の両側に膜体との間に間隙を設けて放射状バッフルを配している回転型膜分離装置であって、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積が３０〜７０％であり、膜体直径が３００〜１０００mmで膜体の回転数が５０〜１０００ｒｐｍの範囲において運転することを特徴とする回転型膜分離装置。
- 被処理液の供給入口を有する容器を貫通するように回転軸を配し、上記容器内にあって透過された液体を移送することの可能な構造を有する膜体の両側に膜体との間に間隙を設けて放射状バッフルを配し、該放射状バッフルを上記回転軸に装着している回転型膜分離装置であって、膜体の表面積に対する放射状バッフルの投影面積が３０〜７０％であり、膜体直径が３００〜１０００mmで放射状バッフルの直径が膜体直径とほぼ同じかそれより小さく、放射状バッフルの回転数が５０〜１０００ｒｐｍの範囲において運転することを特徴とする回転型膜分離装置。
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