JP5251097B2

JP5251097B2 - 膜分離装置

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Publication number: JP5251097B2
Application number: JP2007316029A
Authority: JP
Inventors: 伸説新井
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009136777A

Description

本発明は、精密濾過装置、限外濾過装置、逆浸透膜分離装置などの膜分離装置に係り、特に膜エレメントの洗浄用の気体が耐圧容器内で浮上し偏在化することを防止するようにした膜分離装置に関する。

耐圧容器内にスパイラル型膜を装填した横置型の膜分離装置の従来例について第７図を参照して説明する。筒状の耐圧容器６０内にスパイラル型膜エレメント６１が同軸的に配置されている。各スパイラル型膜エレメント６１は集水管６２の外周に分離膜をスパイラル状に巻回したものである。なお、この従来例では耐圧容器６０内に膜エレメント６１が複数個配置され、各膜エレメント６１の集水管６２同士は継手６３により接続されている。原水は耐圧容器６０の一方のエンドプレートの流入口６４から耐圧容器内に入り、各膜エレメントの原水流路を耐圧容器の軸心線と平行に略水平方向に流れ、耐圧容器６０の他方のエンドプレートの流出口６５から流出する。透過水は集水管６２内に流入し、耐圧容器６０の後端側の取出口６６から取り出される。６７はブラインシールを示す。

このような横置型の膜分離装置は、例えば特開平６−１５１４５の図２に示されている。

スパイラル型膜エレメントとしては、特開２００１−２４６２３３等に記載されているように、集水管の外周に複数の袋状の分離膜がメッシュスペーサを介して巻回されたものが多く用いられている。

集水管には管内外を連通するスリット状開口が穿設されている。分離膜は袋状のものであり、その内部にはメッシュスペーサ等よりなる流路材が挿入されており、この袋状分離膜（袋状膜）の内部が透過水流路となっている。この袋状膜の内部が該スリット状開口を介して集水管内に連通している。

原水は、袋状膜の巻回体の前端面から袋状膜同士の間の原水流路に流入し、そのまま巻回体の長手方向に流れ、巻回体の後端面から濃縮水として流出する。この原水流路を流れる間に水が袋状膜を透過してその内部に入り、集水管内に流入し、該集水管の後端側からエレメント外に取り出される。

このような膜分離装置を運転していると、膜面の汚染、目詰まりによりフラックス（透過水量）が低下してくる。そのため、必要に応じて膜面を洗浄する。

洗浄方法の一つに気体又は気液混相流体洗浄があり、空気、不活性ガス等の気体又は気液混相流体を膜面に供給し、物理的に膜面の汚濁物を剥離除去する。この洗浄方法としては、気液混相流体を膜エレメントの１次側に膜エレメント分離処理時の流速よりも大きな流速で流すフラッシング操作が効果的である（例えば特開平５−５７１５９、特開２００１−２５９３８１、特開２００７−２４５１２１）。気体洗浄としてはエアスクラビング、エア逆洗が通常行われる。エアスクラビングは、膜の被処理水（濃縮水）側に気体を供給し、汚れやすい被処理水側を洗浄する。エア逆洗は、透過水側に気体を供給し、膜の透過水側から濃縮水側に気体を通して膜内に侵入した汚染物を押し出し、あるいは膜面に付着した汚染物を膜面から剥離する。

気体又は気液混相流体洗浄は、フラックス低下、膜間差圧を目安に実施したり、定期的に実施したりする。また、短時間毎に、例えば数分〜数十分毎にエアスクラビングをして膜面の汚染防止を図ることもある。

このような気体又は気液混相流体洗浄を行うため、膜エレメントの濃縮水側または透過水側に、または両者に洗浄用気体又は気液混相流体を供給できるようになっている。通常は、原水配管、濃縮水配管又は透過水配管に気体供給配管が接続され、この気体供給配管にコンプレッサから空気が供給される。

また、特開平２−２５１２２９には、耐圧容器内において膜エレメントを翼状形態のコネクタで連結し、空室内で旋回流を発生させることで、濁質等の沈降滞留を抑制する膜分離装置が開示されている。
特開平６−１５１４５特開平５−５７１５９特開２００１−２４６２３３特開２００１−２５９３８１特開２００７−２４５１２１特開平２−２５１２２９

このような気体又は気液混相流体による洗浄を行うと、第７図に示す膜エレメント６１の端面が臨む空室６８，６９，７０内で気体が浮上して偏在化するため、膜エレメント６１が均一に洗浄されなくなることがある。

特許文献６に記載の膜分離装置では、沈降する成分に関しては、旋回により撹拌、分散が可能であり、滞留を抑制することが可能と考えられるが、耐圧容器内の空室で浮上して上部に滞留する気体を旋回流にて分散させることは非常に困難である。

即ち、旋回流が弱い場合、気体は旋回流に随伴せず、耐圧容器上方部分に滞留する。また、旋回流が強い場合には、気体は旋回流の中心付近に集中することとなり、膜エレメント端面に対し、均一に気液混相流体を供給することは困難である。

また、特許文献６に記載の膜分離装置では、膜エレメント同士の連結部に翼状形態のコネクタを使用することが例示されているが、原水入口部である耐圧容器端面と膜エレメント間の空室での使用は示されていない。

気液混相流体を膜エレメントに供給し、均一で効果の高い洗浄効果を得るためには、この原水入口部である耐圧容器端面と膜エレメント間の空室において気体の浮上を防止する必要があり、該空室部分に浮上防止部材を封入することが重要である。

もちろん、膜エレメント同士の連結部分に空室がある場合においては、膜エレメント同士の連結部分に浮上防止部材を挿入することが必要であるが、膜エレメントの端面同士が密接に接続されるインナーコネクト型の膜エレメント等を用いる場合には、膜エレメント同士間に空室がなく、気体の耐圧容器内上部での浮上もなくなることから、挿入の必要はなくなる。

本発明は、このような横置型の膜分離装置における洗浄気体の浮上を防止し、膜エレメントを均一に洗浄することができる膜分離装置を提供することを目的とする。

請求項１の膜分離装置は、原水の流入口、透過水の取出口及び濃縮水の流出口を有した耐圧容器と、この耐圧容器内に装填された膜エレメントと、該膜エレメントの濃縮水側又は透過水側に該膜エレメントの洗浄用気体又は気液混相流体を供給する気体又は気液混相流体供給手段とを備えてなり、被処理水が該膜エレメント内を略水平方向に流通される膜分離装置であって、該膜エレメントの端面が該耐圧容器内の空室に臨んでいる膜分離装置において、該空室内の上部に気体が浮上することを防止するための気体浮上防止部材を設けた膜分離装置であって、前記耐圧容器は筒軸心線方向が略水平となるように配置された筒状のものであり、前記膜エレメントは、集水管の外周に分離膜を巻回して巻回体としたスパイラル型膜エレメントであり、前記気体浮上防止部材は、前記空室内において、前記耐圧容器の筒軸心方向と垂直な略水平方向に延在した板状体を備えており、
複数枚の該板状体が上下に間隔をあけて配置されており、各板状体は、気体又は気液混相流体の流通方向の下流側に向って下り勾配となるように設けられていることを特徴とするものである。

請求項２の膜分離装置は、請求項１において、前記板状体の下り勾配角度は水平面に対し５〜３０°であることを特徴とするものである。

請求項３の膜分離装置は、請求項１又は２において、前記板状体同士の間隔が１０〜５０ｍｍであることを特徴とするものである。

本発明（請求項１）の膜分離装置では、膜エレメントの端面が臨む空室に気体浮上防止部材が設けられているので、該空室内で気体が浮上し、気体が偏在化することが防止され、膜エレメントを均一に洗浄することができる。

本発明は、膜エレメントとしてスパイラル型膜エレメントを採用した場合に適用する。

本発明の膜分離装置によると、空室内が板状体によって上下多段に区画されるため、気体が空室内の上部に集まることが防止される。

この板状体を気体又は気液混相流体の流通方向の下流側に向って下り勾配となるように設けることにより、気体が板状体に案内されて下方側へ案内されるようになり、膜エレメントをより均一に洗浄することができるようになる。

以下図面を参照して発明の実施の形態について説明する。

第１図は本発明の実施の形態に係る横置型の膜分離装置の断面図、第２図は気体浮上防止部材の断面図であり、（ａ）図は（ｂ）図のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図である。

この実施の形態は、第７図に示した膜分離装置の空室６８，６９にそれぞれ気体浮上防止部材１０を設けたものである。空室７０には気体浮上防止部材１０は設けられていない。

気体浮上防止部材１０は、第２図（ａ），（ｂ）に示す通り、外環１１と、両端が該外環１１に連結され、耐圧容器６０の筒軸心線方向と垂直な略水平方向に延在した複数枚の板状体１２と、上下方向の中央の板状体１２（１２ａ）の長手方向の中央部に設けられた内環１３とからなる。外環１１と内環１３とは、同軸状となっている。外環１１及び内環１３は、耐圧容器６０と同軸的に配置された短い円筒形である。外環１１の外周面は耐圧容器６０の内周面と対面している。両者の間は、若干の隙間があいていてもよく、またパッキン等が介在してもよい。

内環１３には集水管６２が差し込まれている。

この実施の形態では、板状体１２が流入口６４から流出口６５に向かう方向に下り勾配となるように構成されている。

なお、板状体１２同士の間隔は１０〜５０ｍｍ程度、板状体１２の耐圧容器軸心線方向の幅は１０〜５０ｍｍ程度、板状体１２の下り勾配角度は水平面に対し５〜３０°程度が好適である。

膜エレメント６１は、集水管６２の外周に袋状膜を巻回したスパイラル型膜エレメントである。

この膜分離装置のその他の構成は第７図の膜分離装置と同様であり、同一符号は同一部分を示している。

このように構成された膜分離装置においても、原水は流入口６４から耐圧容器内に入り、各膜エレメント６１の原水流路を耐圧容器の軸心線と平行に略水平方向に流れ、流出口６５から濃縮水として流出する。透過水は集水管６２内に流入し、透過水の取出口６６から取り出される。

この膜分離装置を運転していると、膜面の汚染、目詰まりによりフラックス（透過水量）が低下してくるので、定期的に又は膜エレメント透過差圧もしくは流路差圧（モジュール差圧）が規定値以上となった場合に、気体又は気液混相流体によって膜エレメント面を洗浄する。この実施の形態では、流入口６４から気体又は気液混相流体を耐圧容器６０内に導入する。この実施の形態では、空室６８，６９に板状体１２を有した気体浮上防止部材１０が配置されており、気体は空室６８，６９の上部に集まることが防止される。即ち、板状体１２によって浮上する気体を押えつけることで、気体が空室６８，６９内で浮上することが防止され、気体が膜エレメント６１の端面全域から満遍なく膜エレメント６１内に導入される。これにより、膜エレメント６１が全体として均一に洗浄されるようになる。

特に、この実施の形態では、板状体１２が下り勾配を有しているため、気体が下向きに案内されて膜エレメント６１に導入される。これにより、膜エレメント６１がより均一に洗浄される。

なお、気体は流出口６５から流出する。

気体又は気液混相流体による洗浄が終了した後は、流入口６４から原水を導入し、膜分離運転を再開する。

気体浮上防止部材は、浮上する気体を上方より部材で押えつけることで浮上を防止できる構成、或いは、気体が空室内上方に偏在化するのを物理的に排除するために空室上部の空間を部材で占有する構成であることが好ましい。

第３図〜第６図を参照して気体浮上防止部材の他の構成例（参考例）について説明する。

第３図に示す気体浮上防止部材１０Ａは、板状体１２Ａが外環１１及び内環１３の筒軸心線方向と水平となっているものであり、その他の構成は気体浮上防止部材１０と同一である。

第４図（ａ）は気体浮上防止部材２０の斜視図、第４図（ｂ）は同（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図、第４図（ｃ）は気体浮上防止部材２０の正面図である。

この気体浮上防止部材２０は、正面視形状が略半円形であり、側面視形状が略三角形の盤状体２１と、該盤状体２１と一体の内環２２とを有する。盤状体２１は、略半円形の外周部の周方向の中間部２１ｔが最も厚さが大きくなっており、弧方向に延在する下辺部が最も厚さが小さくなっている。内環２２は、この下辺部の辺方向中央付近に位置する。この内環２２は前記内環１３と同じく耐圧容器６０の筒軸心に配置され、集水管６２が差し込まれるものである。盤状体２１の一方の盤面（前面）２１ａは、内環２２の軸心線に対し斜交する傾斜面となっており、他方の盤面（後面）２１ｂはこの軸心線に対し垂直面となっている。

この気体浮上防止部材２０は、最も肉厚の大きい２１ｔ部分が耐圧容器６０内の空室の上部に位置するように、また前面２１ａが流入口６４側となるように空室６８，６９内に配置される。

この気体浮上防止部材２０は、空室６８，６９の上部空間の少なくとも一部を占有することで、空室６８，６９内の上部に滞留しようとする気体を排除し、傾斜面よりなる前面２１ａに沿って下方へ移動させて膜エレメント６１に導入するように作用する。従って、この気体浮上防止部材２０を用いた膜分離装置においても、膜エレメントが均一に洗浄されるようになる。

第５図（ａ）は気体浮上防止部材３０の正面図、同（ｂ）は同（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

この気体浮上防止部材３０は、中心孔３２を有した環状体３１よりなる。環状体３１の前面３１ａは、環状体３１の中心ほど後面３１ｂに近づくテーパ面となっている。後面３１ｂは中心孔３２の軸心線と垂直面となっている。なお、前面３１ａの外周縁には、後面３１ｂと平行な平坦面３１ｃが設けられているが、この平坦面３１ｃは省略され、前面３１ａの全体がテーパ面とされてもよい。

中心孔３２の孔径は、集水管６２の外径よりも十分に大きなものとなっている。

この気体浮上防止部材３０は、中心孔３２に集水管６２が同軸状に差し込まれるように空室６８，６９に配置される。気体浮上防止部材３０が空室６８，６９の上部空間を占有するところから、空室６８，６９の上部に滞留しようとする気体は、気体浮上防止部材３０で排除されるとともにテーパ面よりなる前面３１ａに案内されて中心孔３２に導かれる。この結果、空室６８，６９の上部に気体が滞留することが防止される。また膜エレメント部材が集中し、流れにくくなっているスパイラル型膜エレメントの中心付近に流れを集中させることで、中心付近の洗浄効果を増大させ、均一に洗浄することができる。

第６図（ａ）は気体浮上防止部材４０の正面図、同（ｂ）は同（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

この気体浮上防止部材４０は、外環４１と、該外環４１と同軸状の内環４２と、外環４１，内環４２とその間の空間を略同軸状に複数の区画に分割する区画板４３、区画板４３を支持するために、内環４２に対し放射方向に延在し、外環４１、内環４２および区画板４３に連結された支持板４４とからなる。この気体浮上防止部材４０は、最も内側の内環４２に集水管６２が差し込まれるようにして空室６８，６９に配置される。外環４１の外径は、耐圧容器６０の内径よりも若干小さいものとなっている。

この気体浮上防止部材４０を設置することにより、空室６８，６９内が周方向に小室に区画されるようになり、空室６８，６９の下側の気体が空室６８，６９の上部に移動することが防止される。これにより、空室６８，６９の上部に気体が浮上することが防止される。

なお、区画板４３の枚数は２〜１０程度、支持板４４の枚数は４〜１６程度が好適である。

第６図では、同軸状の大、中、小の３個の内環４２がいずれも円環形となっているが、最小の内環４２以外は多角形環状であってもよい。また、外環と１個の内環との間に渦巻形の環を設けてもよい。

上記実施の形態では１個の耐圧容器６０内に２個の膜エレメント６１を配置しているが１個又は３個以上の膜エレメントを配置しても良い。

以下、実施例及び比較例について説明する。なお、以下の実施例及び比較例において採用した膜エレメントは日東電工製スパイラル型ＲＯ膜エレメントＥＳ２０−Ｄ８（公称直径８インチ）である。

〈実施例１〉
第８図の通り、第７図に示した膜分離装置の空室６８に第５図の気体浮上防止部材３０を配置し、空室６９に第２図の気体浮上防止部材１０を配置した。

空室６８，６９の耐圧容器６０の軸心線方向の幅はそれぞれ３０ｍｍ、５０ｍｍである。気体浮上防止部材３０の中心孔３２の内径は１００ｍｍ、板状体１２の該軸心線に対する傾斜角（テーパ角）は２０°である。板状体１２の枚数は５枚である。板状体１２の長手方向と直交方向の幅は２５ｍｍである。

耐圧容器６０は軸心線方向が水平となるように、また、板状体１２の長手方向が水平方向となるように配置した。

透過水流量１．５４ｍ^３／ｈ、循環水流量２．４ｍ^３／ｈ、回収率８５％、水温２５℃±２℃の条件にて、定流量通水試験を実施した。

原水は、市水をベースにイソプロピルアルコールを有機炭素濃度として５ｍｇ／Ｌ添加した合成水である。

通水試験には、基本的には連続通水ながらも、１日２回（１２時間毎）に、流入口６４から、試験原水と空気の気液混相流を供給してフラッシング洗浄を３０秒／回で実施した。

フラッシング洗浄時の流量は、水流量６ｍ^３／ｈ、エア流量９．６Ｎｍ^３／ｈとした。

なお、フラッシング終了に際しては、気液混相流でのフラッシング洗浄の後、残留エアの押出しを目的として、１０秒間試験原水による水フラッシングを行った。

この通水試験を約３０日継続し、原水圧力（ＰＩ_１）と濃縮水出口圧力（ＰＩ_２）との差（ＰＩ_１−ＰＩ_２）を観察した。この結果を第９図に示す。第９図の通り、差圧は０．１ＭＰａ前後で安定し、上昇傾向は認められなかった。

〈比較例１〉
気体浮上防止部材を設置せず、またフラッシング洗浄を実施しなかったこと以外は、実施例１と同様の条件にて通水試験を行った。第９図に示す通り、差圧は約２０日間で０．６ＭＰａまで上昇し、安定した運転はできなかった。

〈比較例２〉
気体浮上防止部材を用いなかったこと以外は、実施例１と同様に通水試験を行った。第９図に示す通り、差圧は緩やかではあるが、上昇傾向を示し、長期に渡る安定運転は不可能と推察される。

実施の形態に係る膜分離装置の断面図である。気体浮上防止部材１０の構成図である。気体浮上防止部材１０Ａの構成図である。気体浮上防止部材２０の構成図である。気体浮上防止部材３０の構成図である。気体浮上防止部材４０の構成図である。従来の膜分離装置の断面図である。実施例の膜分離装置の断面図である。通水試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１０，１０Ａ，２０，３０，４０気体浮上防止部材
１２，１２Ａ板状体
６０耐圧容器
６１膜エレメント
６２集水管
６４流入口
６５流出口
６６取出口

Claims

原水の流入口、透過水の取出口及び濃縮水の流出口を有した耐圧容器と、この耐圧容器内に装填された膜エレメントと、該膜エレメントの濃縮水側又は透過水側に該膜エレメントの洗浄用気体又は気液混相流体を供給する気体又は気液混相流体供給手段とを備えてなり、被処理水が該膜エレメント内を略水平方向に流通される膜分離装置であって、
該膜エレメントの端面が該耐圧容器内の空室に臨んでいる膜分離装置において、
該空室内の上部に気体が浮上することを防止するための気体浮上防止部材を設けた膜分離装置であって、
前記耐圧容器は筒軸心線方向が略水平となるように配置された筒状のものであり、
前記膜エレメントは、集水管の外周に分離膜を巻回して巻回体としたスパイラル型膜エレメントであり、
前記気体浮上防止部材は、前記空室内において、前記耐圧容器の筒軸心方向と垂直な略水平方向に延在した板状体を備えており、
複数枚の該板状体が上下に間隔をあけて配置されており、
各板状体は、気体又は気液混相流体の流通方向の下流側に向って下り勾配となるように設けられていることを特徴とする膜分離装置。
請求項１において、前記板状体の下り勾配角度は水平面に対し５〜３０°であることを特徴とする膜分離装置。
請求項１又は２において、前記板状体同士の間隔が１０〜５０ｍｍであることを特徴とする膜分離装置。