JP5029441B2

JP5029441B2 - 気体透過膜の劣化検知方法及び気体透過膜モジュールの運転方法

Info

Publication number: JP5029441B2
Application number: JP2008066270A
Authority: JP
Inventors: 裕人床嶋
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: JP2009219996A

Description

本発明は、気体透過膜の劣化検知方法と、この検知方法を採用した気体透過膜モジュールの運転方法に関する。

Ｉ．半導体用シリコン基板、液晶用ガラス基板、フォトマスク用石英基板などの電子材料の表面から、微粒子、有機物、金属などを除去するために、いわゆるＲＣＡ洗浄法と呼ばれる過酸化水素をベースとする濃厚薬液による高温でのウェット洗浄が行われていた。ＲＣＡ洗浄法は、電子材料の表面の金属などを除去するために有効な方法であるが、高濃度の酸、アルカリや過酸化水素を多量に使用するために、廃液中にこれらの薬液が排出され、廃液処理において中和や沈殿処理などに多大な負担がかかるとともに、多量の汚泥が発生する。

そこで、特定のガスをガス溶解装置で超純水に溶解し、必要に応じて微量の薬品を添加して調製した機能性洗浄水が高濃度薬液に代わって使用されるようになってきている。機能性洗浄水に用いられる特定のガスとしては、水素ガス、酸素ガス、オゾンガス、希ガス、炭酸ガスなどがある。特に、アンモニアを極微量添加した水素ガス溶解水、酸素ガス溶解水、アルゴンなどの希ガス溶解水、炭酸ガス溶解水は、超音波を併用した洗浄工程で使用すると、極めて高い微粒子除去効果を発揮する。

上記の気体溶解装置としては、通常、気体のみを透過させる性質を有する気体透過膜を内蔵した気体透過膜モジュールが用いられている（例えば特許文献１）。気体透過膜モジュールを用いると、気泡を含まない特定の気体溶解水を容易に製造することができる。
II．食品、医薬・製薬用水の脱酸素水の製造、ボイラー給水用の脱酸素水の製造、ビル・マンション用上水の赤水防止、電子産業向け超純水の脱酸素処理、電力向けコンデンセートの脱酸素及び脱炭酸処理、一般水処理、純水の脱炭酸処理など、幅広い分野において、水中の溶存酸素（ＤＯ）や炭酸ガスの除去が必要とされており、このための脱気手段として、近年、装置の小型化、処理コストの低減等の利点から、気体透過膜モジュール、例えば外圧型中空糸膜脱気装置が用いられるようになってきている（例えば特許文献２）。外圧型中空糸膜脱気装置は、一般に、中空糸膜をケーシング内に装填し、脱気処理される原水を中空糸膜の外側に流し、中空糸膜の内部を減圧して、原水中から中空糸膜の微小ポアを通過して中空糸膜内に抽気される酸素、炭酸ガス、水蒸気等の気体を除去し、処理水（脱気した水）を取り出す構成とされている。
特開２０００−２７１５４９特開２０００−１８５２０３

従来は、気体透過膜モジュールの膜劣化を検知することはされず、余裕をみて定期的に膜交換を行うことが一般的であるため、ランニングコストの増加を招いていた。

本発明は、気体透過膜モジュールの気体透過膜の劣化をモニターし、適切な時期に膜の交換を行うことができるようにすることを目的とする。

請求項１の気体透過膜の劣化検知方法は、気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールの該気体透過膜の劣化を検知する方法であって、該気体室内又は該気体室から気体室の圧力を調整する機構に至るまでの経路内の物理量の変化を計測して気体透過膜の劣化を検知する方法であり、前記物理量は、前記気体室内または前記経路に設けた測温部の検出温度であり、単位時間の間において、該検出温度と大気温度との差ΔＴが所定値以上となる回数から、膜劣化を検知することを特徴とするものである。

請求項２の気体透過膜モジュールの運転方法は、気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールを運転する方法において、連続的に又は間欠的に、請求項１に記載の気体透過膜の劣化検知方法によって気体透過膜の劣化を検知することを特徴とするものである。

本発明は、気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールにおいて、気体室内または気体室から気体室の圧力を調整する機構に至るまでの経路内の物理量の変化を計測することで、気体透過膜の劣化を検知するようにしたものである。

一般に、気体透過膜は、水などの液体を透過させないが、水蒸気は透過させる。そして、気体透過膜の劣化が進むと、透過する水蒸気量が増加する。また、劣化が進むと、気体透過膜の強度低下により、膜に微小な破損が生じる場合があるが、このときには破損部を通って液体が液相室から気相室へリークする。

このように、気体透過膜が劣化すると気相室への蒸気透過量の増加や液体リーク現象が現れてくるので、これらの１又は２以上の現象又はそれに付随する物理量変化を計測することにより、気体透過膜の劣化を検知することができる。

この物理量は、水の相変化（固体・液体の相変化、液体・気体の相変化）に伴って変化する温度である。例えば、気体室又は前記経路に温度計などの測温部を設けておくと、該測温部への付着水分量の変化によって検出温度が変化するので、この温度変化に基づいて気体透過膜の劣化を検知することができる。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第１図は実施の形態に係る気体透過膜の劣化検知方法が適用される脱気水製造システムのフロー図である。

原水は、原水供給ポンプ１及び配管２を経て気体透過膜モジュール３に送られ、水中の溶存ガス成分が脱気される。原水としては、気体透過膜モジュールを著しく劣化させる成分が含有されるもの以外は特に制限がない。例えば、水道水、純水、超純水のほか、酸、アルカリ、キレート剤、界面活性剤、酸化還元物質などの薬品の溶液、血液などの生体物質などが例示される。

気体透過膜モジュール３は、気体透過膜４によって水室５と気体室６とが区画されたものである。水は水室５を通り、この間気体透過膜４と接触し、脱気される。脱気水は配管７によって取り出される。

気体室６内は、減圧配管８を介して真空ポンプ９によって減圧される。気体透過膜モジュール３の計装手段として、減圧配管８内の温度を検出する温度センサ１１及び減圧配管８内の圧力を検出する圧力センサ１２が設けられている。なお、温度センサ１１は気体室６に設けられてもよい。図示はしないが、外気温（大気温度）を検出するための温度センサが設けられている。

この真空ポンプ９により、圧力センサ１２の検出圧力が好ましくは１０ｋＰａ以下、特に好ましくは５ｋＰａ以下となるように減圧される。真空ポンプに特に制限はないが、水蒸気を吸気できるもの、例えば、水封式真空ポンプや水蒸気除去機能がついたスクロールポンプなどが望ましい。配管材質に特に制限はない。

温度センサ１１としては、温度応答性に優れた熱電対や測温抵抗体が好ましい。

この脱気水製造システムでは、上記の通り、原水を水室５に通水し、気体室６内を真空ポンプ９によって減圧することにより脱気水が連続的に製造される。

この運転を長期にわたって継続すると、気体透過膜４が次第に劣化してくる。気体透過膜４は、気体を透過させ、水を透過させない性質を有するものであり、水蒸気は気体透過膜４を透過する。気体透過膜４が劣化すると、この水蒸気の透過量が増加する。そして、気体室６及び減圧配管８内の水蒸気濃度が飽和濃度よりも高くなると、凝縮して水（液体）となり、温度センサ１１にも付着する。なお、気体透過膜４が劣化して微量の水が水室５から気体室６内に流入することがあるが、この流入水も温度センサ１１に付着する。

一般に、上記の水蒸気の透過量は間欠的に増加する。水蒸気透過量が多い時期には水（液体）が温度センサ１１に付着し、水蒸気透過量が少ない時期にはこの付着水が蒸発する。水が蒸発しつつあるときには、気化熱によって温度センサ１１の検出温度が低下し、温度センサ１１の検出温度と大気温度との差ΔＴが大きくなる。付着水がすべて蒸発してしまうと、温度センサ１１の検出温度は、そのときの配管内の温度を示すようになり、ΔＴが小さくなる。

この水蒸気の透過量が間欠的に増加する時期同士の間隔（周期）は、新品の気体透過膜の場合、約１０〜２０時間例えば約１０時間程度である。気体透過膜が劣化してくると、この周期は次第に短くなり、水蒸気透過量が膜劣化に伴って次第に増加することになる。

従って、温度センサ１１の検出温度と大気温度との差ΔＴが所定値以上となる周期の長短から、気体透過膜の劣化を検知することができる。例えば単位時間（例えば１日）の間において該温度差ΔＴが所定値以上となる回数から、膜劣化を検知することができる。

なお、温度センサ１１の検出温度と、大気温度との差が予め設定した基準値以上となったときには気体透過膜が劣化したものと判定するようにしてもよい。

上記の説明では、温度センサ１１の検出温度に基づいて気体透過膜の劣化を検知するものとしているが、湿度センサによって気体室６又は減圧配管８内の水蒸気量を検出してもよい。また、気体室６や減圧配管８内に溜まる水（液体）の量を液面計などのセンサによって検出し、気体透過膜の劣化を検知するようにしてもよい。

また、気体室６や減圧配管８内で水が凝固して固体（氷や霜）となることがあるので、この固体の水の量をカメラ撮影や、圧力素子による衝撃検知などにより測定し、気体透過膜の劣化を検知することもできる。

また、水蒸気の透過量の増大によって変化する気体室６又は減圧配管８内の圧力変化を検出し、これに基づいて気体透過膜の劣化を検知するようにしてもよい。

上記の膜劣化検知を、透過膜モジュールの運転中に連続して又は間欠的に行い、膜劣化が進行した場合には運転を停止して膜交換を行う。

第１図は気体透過膜モジュール３を脱気モジュールとして用いているが、第２図のように、気体透過膜モジュール３を気体溶解モジュールとして用いたシステムにおいても本発明を適用することができる。

第２図に示す気体溶解システムでは、純水、超純水などの原水がポンプ１によって気体透過膜モジュール３の水室５に通水され、配管７からガス溶解水から取り出される。気体室６へはガス供給源２０からガスが配管２３を介して供給される。気体室６内の余剰のガスは弁２４を有した配管２５を介して排出される。ガス供給量は、流量計２２の検出流量が所定量となるように、弁２１によって制御される。

この気体室６や配管２５に温度センサや圧力等を設けておき、第１図の場合と同様に検出温度変化の間隔や回数等に基づいて気体透過膜４の劣化を検知することができる。

以下、実施例について説明する。

実施例１
第１図に示す脱気水製造システムを運転し、気体透過膜４の劣化を検知した。

原水に超純水を用いた。気体透過膜モジュールの通水量は２０Ｌ／ｍｉｎとし、真空ポンプで気体透過膜モジュールの気相室圧を−９５ｋＰａとして連続運転を行った。定常時の温度センサ１１の指示値は、２６℃であった。凝縮水があった場合、温度センサ１１の指示値は１８℃程度となり、３０分程度その温度を維持した後、また２６℃に戻った。

通水２年までは、約１回／１０時間以下の温度変化（変化量Δ５℃以上）であった。通水４年目に約１回／６時間となり、通水６年目に約１回／３時間となり、凝縮水量が多くなったため、膜交換を行った。従って、６年に１回の頻度で気体透過膜４の交換を行うだけで正常な脱気運転を行うことができた。

この気体透過膜モジュールは、設計基準としては３年に１回で気体透過膜を交換するものとしていたものであるため、気体透過膜の交換コストが半減された。

脱気水製造システムのフロー図である。気体溶解水製造システムのフロー図である。

３気体透過膜モジュール
４気体透過膜
５水室
６気体室
１１温度センサ
１２圧力センサ

Claims

気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールの該気体透過膜の劣化を検知する方法であって、
該気体室内又は該気体室から気体室の圧力を調整する機構に至るまでの経路内の物理量の変化を計測して気体透過膜の劣化を検知する方法であり、
前記物理量は、前記気体室内または前記経路に設けた測温部の検出温度であり、
単位時間の間において、該検出温度と大気温度との差ΔＴが所定値以上となる回数から、膜劣化を検知することを特徴とする気体透過膜の劣化検知方法。
気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールを運転する方法において、連続的に又は間欠的に、請求項１に記載の気体透過膜の劣化検知方法によって気体透過膜の劣化を検知することを特徴とする気体透過膜モジュールの運転方法。