JP5633540B2 - 海水淡水化前処理用分離膜、海水淡水化前処理装置、海水淡水化装置および海水淡水化方法 - Google Patents
海水淡水化前処理用分離膜、海水淡水化前処理装置、海水淡水化装置および海水淡水化方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、海水の濁質を効果的に除去することができる海水淡水化前処理用分離膜、海水淡水化前処理装置、海水淡水化装置および海水淡水化方法に関する。
海水の淡水化処理方法の１つに、海水に圧力をかけて逆浸透膜（ＲＯ膜、Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）に通すことにより、脱塩して淡水を得る方式がある。この逆浸透膜は０．１〜０．５ｎｍ程度の径の超微細孔を有する半透膜であり、水分子だけを選択的に透過させ、塩等の不純物は透過しない性質を有している。
しかし、原水である海水には、粗大な粒子からなる濁質を含むものも多い。そこで、この濁質による逆浸透膜の汚染を防ぐため、一般的に、逆浸透膜による処理の前に、原水中から濁質を除去する前処理が行われている。
この前処理の一例として、砂濾過や、逆浸透膜の孔より大きな孔を有する膜による濾過、例えば精密濾過（ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ、ＭＦ）や限外濾過（ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ、ＵＦ）、およびこれらの組合せ等が行われている（非特許文献１）。
精密濾過とは、孔径が１００〜１０００ｎｍ程度の精密濾過膜（ＭＦ膜）に原水を通すことにより濁質を取り除く方法を言い、また、限外濾過とは、孔径が１〜１００ｎｍ程度の限外濾過膜（ＵＦ膜）に原水を通すことにより濁質を取り除く方法を言う。
福岡地区水道企業団"淡水化のしくみ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２２年６月７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆ−ｓｕｉｋｉ．ｏｒ．ｊｐ／ｓｅａｗａｔｅｒ／ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ／ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ｐｈｐ＞
しかしながら、海水中には、プランクトンや微生物が細胞外に分泌するＴＥＰ（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｅｘｏｐｏｌｙｍｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ：透明細胞外高分子粒子）と呼ばれる粘着性物質が、１〜数ｐｐｍ程度存在している。ＴＥＰは主成分が糖質で、ポリマー架橋体に水を取り込んで１００倍もの体積に膨れあがる粒径が１〜２００μｍ程度のゼリー状粒子であり、本発明者らは、海水をＭＦ膜やＵＦ膜で濾過した場合、このＴＥＰが膜表面に粘着して広がり、ＭＦ膜やＵＦ膜のファウリング（目詰まり）を発生させることを見出した。そして、ファウリングが多くなるに伴って、流束（単位面積、単位時間あたりの濾過量）が急速に低下する。
このため、ＭＦ膜やＵＦ膜による濾過に先立って、１μｍ以上の平均孔径を有する濾過膜（ＬＦ膜）を用いて、予めＴＥＰの除去を行うこと等を本発明者らは検討しているが、このＬＦ膜においても、前記したファウリングの発生に伴う流束の低下が早い段階で引き起こされる場合があり、充分とは言えない。
即ち、従来の前処理においては、ＴＥＰの除去率と流束との間には負の相関関係があり、除去率を増加させた場合には、より短時間でファウリングが発生して、流束の急速な低下を招く。このため、流束の低下に合わせて圧力を上げることにより、流束を一定に保って、ＲＯ膜にＴＥＰが除去された原水をコンスタントに供給することが行われている。
しかし、圧力が上がると膜を薬品などで洗浄する必要がありコストが嵩み、目詰まりすると洗浄しても回復しなくなり膜交換が必要となってメンテナンスコストが大きくなる。また、流束が小さくなると多くの膜面積を必要とし設備コストが大きくなる。そして、圧力を上げるためにはより強力なポンプが必要となり、余分な設備コストが発生する。また、膜の耐圧性の面からも、圧力を上げることには限度がある。
そこで、本発明は、高い除去率でＴＥＰの除去を行いながらも、高い流束を維持して、圧力を大きく上げることなく、充分な量の原水をコンスタントにＲＯ膜に供給することができる海水淡水化前処理用分離膜と海水淡水化前処理装置および海水淡水化方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、従来の前処理用分離膜は、連通孔を有する多孔質体を用いて、その孔径により径の大きなＴＥＰを捕捉しているが、捕捉と同時に孔が封止されてファウリングが発生し、流束を低下させていることを考慮して、ＴＥＰを確実に捕捉することができる膜材を求めて、種々の実験と検討を行った。
その結果、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が、この膜材として好適であることが分かった。即ち、ＰＴＦＥは、島状に分布する樹脂の塊により形成された大きな孔と、この樹脂の塊間に微細繊維が入り組んだフィブリル構造とを有する多孔質体であるため、大きな孔径により充分な流束を確保することができる一方、孔径がＴＥＰの径よりも大きい場合であっても、入り組んだ微細繊維によりＴＥＰの捕捉を行うことができる。
次に、本発明者らは、流束の確保に関する指標として以下に示す標準流束Ａを、また、ＴＥＰの除去率に関係する指標として以下に示す糖類除去率Ｂを用いて、膜材を具体的な数値によって評価した。
標準流束Ａは、一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値を指す。
糖類除去率Ｂは、ＴＥＰが糖質を主成分とするゼリー状粒子であることから、ＴＥＰの除去率に関係する指標として用いるものであり、下式により求められる。
糖類除去率Ｂ＝（１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量）
糖類除去率Ｂ＝（１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量）
上記糖類除去率Ｂの計算において、糖類量は、水中の各有機物毎にその糖類量を定量分析し、それらを総合計することにより求められる。しかし、水中の有機物の種類は膨大であるため、本発明者らは、より簡便に、水中の有機物をまとめて測定する方法として、水中の有機物を有機体炭素の総量（炭素量）として測定するＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ：全有機炭素）に着目した。
そして、ＴＯＣ計を用いて、原水および濾過水について、ＴＯＣおよびＤＯＣ（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ：溶存有機炭素）を測定し、両者の差としてＰＯＣ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ：懸濁体有機炭素、粒状カーボン）を求め、得られた各ＰＯＣに基づいて下式により求められた粒状カーボン除去率Ｃが、上記糖類除去率Ｂに替えてＴＥＰの除去率に関係する指標として有用であることを見出した。
粒状カーボン除去率Ｃ＝（１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ）
粒状カーボン除去率Ｃ＝（１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ）
上記の各指標につき、種々の実験を行い、検討した結果、標準流束Ａが２ｍ／ｄ以上であり、かつ糖類除去率Ｂまたは粒状カーボン除去率Ｃが０．３以上、望ましくは０．５以上の膜材を用いることにより、充分な流束を確保しながら、高い除去率でＴＥＰの除去を行うことができることが分かった。
なお、ｍ／ｄは、単位膜面積（１ｍ２）当たり１日（ｄａｙ）の濾過流量（ｍ３）を示す。
上記の各指標に基づいて、前記ＰＴＦＥにつき評価した結果、標準流束Ａについては、従来の膜材では１．５ｍ／ｄ程度であったのに対し、ＰＴＦＥでは２ｍ／ｄ以上であり、数値的にも明確にＰＴＦＥが優れていることが確認できた。また、糖類除去率Ｂおよび粒状カーボン除去率Ｃについても、ＰＴＦＥの場合、従来の膜材では得られなかった０．４以上の除去率を示しており、この面でも、ＰＴＦＥが数値的にも明確に優れていることが確認できた。
このように、標準流束Ａが２ｍ／ｄ以上であり、かつ糖類除去率Ｂまたは粒状カーボン除去率Ｃが０．３以上、望ましくは０．５以上の膜材を用いることにより、充分な流束を確保しながら、高い除去率でＴＥＰの除去を行うことができる。
以上の評価結果は、ＰＴＦＥ膜材に限らず、大きな孔とフィブリル構造とを有する多孔質体であれば、同様の評価結果を得ることができると考えられる。
さらに、前記した標準流束Ａと、糖類除去率Ｂまたは粒状カーボン除去率Ｃとを掛け合わした値を指標とした場合、この値が２以上となったときには、効果が相乗的となり、極めて優れた前処理を行うことができることが分かった。ＰＴＦＥはこのような値も満足している。前記の値は、５以上であればより好ましく、１０以上であればさらに好ましい。
請求項１〜５に記載の発明は、これらの知見に基づくものである。即ち、請求項１に記載の発明は、
逆浸透膜を用いた海水淡水化の前処理に用いられる海水淡水化前処理用分離膜であって、
一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値として定義される標準流束Ａが、２ｍ／ｄ以上であると共に、
下式で示される糖類除去率Ｂが、０．３以上である
ことを特徴とする海水淡水化前処理用分離膜である。
糖類除去率Ｂ＝（１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量）
逆浸透膜を用いた海水淡水化の前処理に用いられる海水淡水化前処理用分離膜であって、
一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値として定義される標準流束Ａが、２ｍ／ｄ以上であると共に、
下式で示される糖類除去率Ｂが、０．３以上である
ことを特徴とする海水淡水化前処理用分離膜である。
糖類除去率Ｂ＝（１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量）
そして、請求項２に記載の発明は、
前記糖類除去率Ｂが０．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
前記糖類除去率Ｂが０．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
また、請求項３に記載の発明は、
逆浸透膜を用いた海水淡水化の前処理に用いられる海水淡水化前処理用分離膜であって、
一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値として定義される標準流束Ａが、２ｍ／ｄ以上であると共に、
下式で示される粒状カーボン除去率Ｃが、０．３以上である
ことを特徴とする海水淡水化前処理用分離膜である。
粒状カーボン除去率Ｃ＝（１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ）
但し、ＰＯＣ：懸濁体有機炭素量（全有機炭素量と溶存有機炭素量との差）
逆浸透膜を用いた海水淡水化の前処理に用いられる海水淡水化前処理用分離膜であって、
一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値として定義される標準流束Ａが、２ｍ／ｄ以上であると共に、
下式で示される粒状カーボン除去率Ｃが、０．３以上である
ことを特徴とする海水淡水化前処理用分離膜である。
粒状カーボン除去率Ｃ＝（１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ）
但し、ＰＯＣ：懸濁体有機炭素量（全有機炭素量と溶存有機炭素量との差）
そして、請求項４に記載の発明は、
前記粒状カーボン除去率Ｃが０．５以上であることを特徴とする請求項３に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
前記粒状カーボン除去率Ｃが０．５以上であることを特徴とする請求項３に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
また、請求項５に記載の発明は、
前記海水淡水化前処理用分離膜が、ポリテトラフルオロエチレン製であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
前記海水淡水化前処理用分離膜が、ポリテトラフルオロエチレン製であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
次に、請求項６に記載の発明は、
前記海水淡水化前処理用分離膜の孔径が、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
前記海水淡水化前処理用分離膜の孔径が、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
本発明においては、孔径が１μｍ以上のＬＦ膜を用いることが好ましい。ここで膜の孔径は平均孔径で表す。平均孔径とは、バブルポイント法（エアーフロー法）で求めた孔径を意味する。
具体的には、この孔径は、イソプロピルアルコールを用いＡＳＴＭ Ｆ３１６に基づき測定されたＩＰＡバブルポイント値（圧力）をＰ（Ｐａ）、液体の表面張力（ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）をγ、Ｂを毛細管定数としたとき、次の式で表わされる径ｄ（μｍ）を意味する。なお、ＭＦ膜、ＵＦ膜等の平均孔径についても同じである。
ｄ＝４Ｂγ／Ｐ
ｄ＝４Ｂγ／Ｐ
ＬＦ膜は１μｍ以上の平均孔径を有するので、単位膜面積当たりの流量（流束）を大きくすることができ、逆から見れば、より小さい設備で所望の処理量を得ることができる。ＬＦ膜の平均孔径が小さい程、より小さな粒子の除去が可能になり、前処理における濁質やＴＥＰ等の有機性粒子の除去率は向上する。一方、ＬＦ膜の平均孔径が小さい程、単位膜面積当たりの流量（流束）は小さくなる。従って、濁質やＴＥＰ等の有機性粒子の所望の除去率及び単位膜面積当たりの流量（流束）を考慮して最適の孔径が選択される。
請求項７に記載の発明は、
前記海水淡水化前処理用分離膜が、親水化加工されてないことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
前記海水淡水化前処理用分離膜が、親水化加工されてないことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜である。
膜がＰＴＦＥ膜等の疎水性の材質からなる高分子膜（疎水性高分子膜）である場合、一般的には、被処理液との親和性を向上させるために、例えば、ＰＴＦＥ膜をビニルアルコール等の親水化化合物で表面架橋する方法で親水化加工が施される。
しかし、本願発明者らは、前処理用分離膜として用いる場合には、親水性材料を膜表面に架橋・固定化する親水化加工が施されていないことにより、高い流束と糖類除去率あるいは粒状カーボン除去率を確保することができることを見出した。
なお、このような加工とは異なり、被処理液を透過させる前に、膜と親水性アルコールを接触させ、膜の表面（孔内を含む）を親水性アルコールで覆う方法での親水化処理は用いることが好ましい。親水性アルコールとしては、エタノール、プロパノール等を挙げることができ、特にイソプロパノールが好ましく用いられる。
請求項８に記載の発明は、
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜が濾過膜として用いられていることを特徴とする海水淡水化前処理装置である。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜が濾過膜として用いられていることを特徴とする海水淡水化前処理装置である。
充分に有機物を除去することができ、しかも流束の低下を充分に抑制することができる海水淡水化前処理用分離膜を用いているため、海水淡水化装置に、有機物を除去した充分な量の原水を安定して送ることができる。
請求項９に記載の発明は、
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜を用いた前処理手段の後に、精密濾過膜または限外濾過膜を用いた前処理手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の海水淡水化前処理装置である。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜を用いた前処理手段の後に、精密濾過膜または限外濾過膜を用いた前処理手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の海水淡水化前処理装置である。
より孔径が小さい精密濾過膜または限外濾過膜をさらに配することにより、前記海水淡水化前処理用分離膜により除去された有機物以外の微細な濁質をさらに除去することができる優れた濾過特性の海水淡水化前処理装置を提供することができる。
請求項１０に記載の発明は、
請求項８または請求項９に記載の海水淡水化前処理装置と、
逆浸透膜を用いた脱塩処理装置と
を有することを特徴とする海水淡水化装置である。
請求項８または請求項９に記載の海水淡水化前処理装置と、
逆浸透膜を用いた脱塩処理装置と
を有することを特徴とする海水淡水化装置である。
優れた濾過特性の海水淡水化前処理装置を用いることにより、充分に有機物が除去された原水を供給することができるため、逆浸透膜を用いた脱塩処理装置で、長時間に亘って、脱塩処理を行った場合でも、ＲＯ膜にファウリングが発生することが抑制された海水淡水化装置を提供することができる。
請求項１１に記載の発明は、
請求項８または請求項９に記載の海水淡水化前処理装置を用いて濾過された原水を、
逆浸透膜法を用いて脱塩処理すること
を特徴とする海水淡水化方法である。
請求項８または請求項９に記載の海水淡水化前処理装置を用いて濾過された原水を、
逆浸透膜法を用いて脱塩処理すること
を特徴とする海水淡水化方法である。
充分に有機物が除去された原水に対して脱塩処理を行うため、長時間に亘って、脱塩処理を行った場合でも、ＲＯ膜にファウリングが発生することが抑制される。
本発明によれば、高い除去率でＴＥＰの除去を行いながらも、高い流束を維持して、圧力を上げることなく、充分な量の原水をコンスタントにＲＯ膜に供給することができる。
以下、図面を用いて本発明を実施の形態に基づいて説明する。
１．分離膜
はじめに、本実施の形態の海水淡水化前処理用分離膜について説明する。図１は本実施の形態の分離膜を説明する図である。図１（ａ）は当該分離膜を平面的に見た模式図である。
はじめに、本実施の形態の海水淡水化前処理用分離膜について説明する。図１は本実施の形態の分離膜を説明する図である。図１（ａ）は当該分離膜を平面的に見た模式図である。
本実施の形態に係る分離膜は、ＰＴＦＥ製の多孔膜であって、図１（ａ）に示すように、多数の結節部１と、結節部１同士を繋ぐ太さが１μｍ以下の多数の細繊維（フィブリル）３から構成されており、各結節部１の間に多数の細孔２が形成されている。
図１（ｂ）は結節部１と細繊維３の構造によりゼリー状の対象物Ｍを補足する様子を示す模式図である。細繊維３は、平面方向および厚さ方向に不規則に入り組んだ状態で存在しているため、細孔２の孔径が大きくても、膜の厚さ方向全体を通して糖類を主成分とするゼリー状のカーボンを確実に捕捉することができる。ゼリー状のカーボンを除去することにより、原水中の全カーボン（ＴＯＣ）が減少し、中でも粒状カーボン（ＰＯＣ）が減少する。これにより、例えば、５ｍ／ｄと、従来の１．５ｍ／ｄ程度の分離膜に比べて高流束を維持しながら、高い除去率で糖類を濾過することができる。
２．流束の測定
流束は、一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値を求め、標準流束Ａとする。
流束は、一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値を求め、標準流束Ａとする。
３．除去率の測定
次に、除去率の測定方法について説明する。除去率は、一般的には糖類除去率で評価されるが、測定の簡便さの観点から、糖類除去率に替えて、粒状カーボン除去率で評価することもできる。
次に、除去率の測定方法について説明する。除去率は、一般的には糖類除去率で評価されるが、測定の簡便さの観点から、糖類除去率に替えて、粒状カーボン除去率で評価することもできる。
（１）糖類除去率
糖類除去率は、
糖類除去率＝１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量
で表され、糖分分析により濾過水中の糖類量および原水中の糖類量を測定する。
糖類除去率は、
糖類除去率＝１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量
で表され、糖分分析により濾過水中の糖類量および原水中の糖類量を測定する。
具体的には、糖分析計、例えば、電気化学検出器を備える日本ダイオネクス社製の糖分析計ＩＣＳ−３０００を用いて、水中の各種糖を定量分析し、その総和をｐｐｍで表す。
（２）粒状カーボン除去率
粒状カーボン除去率は、
粒状カーボン除去率＝１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ
で表され、濾過水中および原水中のＰＯＣは、以下の手順で算定される。
粒状カーボン除去率は、
粒状カーボン除去率＝１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ
で表され、濾過水中および原水中のＰＯＣは、以下の手順で算定される。
イ．試料（原水および濾過水）のＴＯＣをＴＯＣ計で測定する。
ロ．試料を孔径０．１μｍのフィルタで濾過する（これにより、ＰＯＣが１００％除去
され、濾過水にはＤＯＣのみが残る。）
ハ．濾過水中に含まれるＤＯＣをＴＯＣ計で測定する。
ニ．測定したＴＯＣとＤＯＣから
ＰＯＣ＝ＴＯＣ−ＤＯＣ
によりＰＯＣを算定する。
ロ．試料を孔径０．１μｍのフィルタで濾過する（これにより、ＰＯＣが１００％除去
され、濾過水にはＤＯＣのみが残る。）
ハ．濾過水中に含まれるＤＯＣをＴＯＣ計で測定する。
ニ．測定したＴＯＣとＤＯＣから
ＰＯＣ＝ＴＯＣ−ＤＯＣ
によりＰＯＣを算定する。
上記において、ＴＯＣは、原水中に存在する有機化合物中の全炭素量（全有機炭素、Ｔｏｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）を示し、ＤＯＣは、濾過水中に存在する有機化合物中の炭素量（溶存有機炭素、Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）を示し、ＰＯＣは、除去された粒状カーボン（懸濁体有機炭素、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）を示す。
なお、ＴＯＣは、燃焼酸化非分散赤外線吸収方式により測定される。具体的には、白金触媒を使い高温で高純度の空気または酸素で有機物を燃焼させる。燃焼で発生した二酸化炭素濃度をガス分析計で測定し、ＴＯＣを測定する。ＴＯＣ計としては、例えば島津製作所社製、ＴＯＣ−Ｖｃシリーズを用いる。
４．海水淡水化装置
次に、海水淡水化装置について説明する。図２に示す海水淡水化装置は、前処理装置１１と前処理した海水を脱塩する脱塩装置１０とから構成されている。図中の矢印は処理対象である水の流れを表し、前処理装置１１の前段にはポンプが配置されている。
次に、海水淡水化装置について説明する。図２に示す海水淡水化装置は、前処理装置１１と前処理した海水を脱塩する脱塩装置１０とから構成されている。図中の矢印は処理対象である水の流れを表し、前処理装置１１の前段にはポンプが配置されている。
（１）前処理装置
前処理装置１１は、前記した構成の分離膜を備えている。前述の分離膜のみでの１段濾過で構成しても良く、また、前記した構成の分離膜を備えた第１の前処理装置と、ＵＦ膜による限外濾過やＭＦ膜による精密濾過を行う第２の前処理装置との２段濾過として前処理装置を構成してもよい。１段濾過でも充分糖類除去の効果があり、前処理装置全体の膜面積を少なくすることができる点で効果的であるが、２段濾過にすることでさらに他の除去対象物を含めた濾過の程度を向上させることができる。
前処理装置１１は、前記した構成の分離膜を備えている。前述の分離膜のみでの１段濾過で構成しても良く、また、前記した構成の分離膜を備えた第１の前処理装置と、ＵＦ膜による限外濾過やＭＦ膜による精密濾過を行う第２の前処理装置との２段濾過として前処理装置を構成してもよい。１段濾過でも充分糖類除去の効果があり、前処理装置全体の膜面積を少なくすることができる点で効果的であるが、２段濾過にすることでさらに他の除去対象物を含めた濾過の程度を向上させることができる。
（２）脱塩装置
脱塩装置１０は、孔径が１〜２ｎｍ程度の逆浸透膜を備えている。脱塩装置１０は、逆浸透膜がスパイラル型やチューブラー型に構成されたものであってもよいし、中空糸膜から構成されたものであってもよいが、大量の海水を処理するための構造とすることが必要である。
脱塩装置１０は、孔径が１〜２ｎｍ程度の逆浸透膜を備えている。脱塩装置１０は、逆浸透膜がスパイラル型やチューブラー型に構成されたものであってもよいし、中空糸膜から構成されたものであってもよいが、大量の海水を処理するための構造とすることが必要である。
上記のように構成された海水淡水化装置は、まず、海水を前処理装置１１で上記した分離膜に通すことにより前処理して、海水中の有機濁質や無機固形物を濾過して除去する。次いで、前処理装置１１で有機濁質や無機固形物を除去した海水を、脱塩装置１０に通して脱塩し、淡水を得る。
長期間の運転により、前処理装置１１や脱塩装置１０の能力が低下したような場合には、逆洗して能力を戻し、くり返し海水の脱塩処理に使用することができる。
本発明の分離膜を用いた海水淡水化の前処理装置１１は、上記した分離膜を通すことにより、海水中の有機濁質や無機固形物を濾過して除去する。このため、脱塩装置での目詰まりを効果的に防ぐことができ、脱塩装置を小型化することができると共に、脱塩コストを低減することができる。
以下、本発明の分離膜を用いた前処理装置を実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
本実施例では、粒状カーボン除去率を用いて、分離膜の評価を行っている。
本実施例では、粒状カーボン除去率を用いて、分離膜の評価を行っている。
１．濾過
海水を原水として本発明の分離膜を備えた親水ＴＴ方式の前処理装置を用いて濾過した。ここで、親水ＴＴ方式とは、本発明に使用するフィブリル構造を有した膜を用いた処理方式を命名したものであり、表面に親水ポリマーを架橋固定して親水化加工した膜（ＰＴＦＥ製ＬＦ膜）を「親水ＴＴ膜」と呼び、ＴＴはＴＥＰ Ｔｒａｐの頭文字から命名されたものである。後述する「疎水ＴＴ方式」は、親水化加工を施さない疎水性の膜を用いた場合（アルコールによる親水化処理は最初に行う）の方式を呼ぶ。
海水を原水として本発明の分離膜を備えた親水ＴＴ方式の前処理装置を用いて濾過した。ここで、親水ＴＴ方式とは、本発明に使用するフィブリル構造を有した膜を用いた処理方式を命名したものであり、表面に親水ポリマーを架橋固定して親水化加工した膜（ＰＴＦＥ製ＬＦ膜）を「親水ＴＴ膜」と呼び、ＴＴはＴＥＰ Ｔｒａｐの頭文字から命名されたものである。後述する「疎水ＴＴ方式」は、親水化加工を施さない疎水性の膜を用いた場合（アルコールによる親水化処理は最初に行う）の方式を呼ぶ。
（１）中空糸モジュール
フィブリル構造を有するＰＴＦＥ製の中空糸膜（ポアフロン（登録商標） タイプ：ＴＢＷ−２３１１−２００）を設けた中空糸膜モジュールを用いた。この中空糸膜モジュールの詳細は以下の通りである。
フィブリル構造を有するＰＴＦＥ製の中空糸膜（ポアフロン（登録商標） タイプ：ＴＢＷ−２３１１−２００）を設けた中空糸膜モジュールを用いた。この中空糸膜モジュールの詳細は以下の通りである。
標準流束：１０ｍ／ｄ
中空糸膜：本数 ３６０本
有効長 １０００ｍｍ
中空糸外径 ２．３ｍｍ
中空糸内径 １．１ｍｍ
中空糸膜厚さ ６００μｍ
孔径 ２．０μｍ（平均の粒子阻止率９０％以上）
気孔率 ７０％
ここで、気孔率＝１００×｛１−（中空糸樹脂体積ｃｃ）／中空糸嵩体積ｃｃ）｝
中空糸樹脂体積＝中空糸重量ｇ／ＰＴＦＥ密度
中空糸嵩体積＝中空糸断面積ｃｍ３×長さｃｍ
中空糸膜：本数 ３６０本
有効長 １０００ｍｍ
中空糸外径 ２．３ｍｍ
中空糸内径 １．１ｍｍ
中空糸膜厚さ ６００μｍ
孔径 ２．０μｍ（平均の粒子阻止率９０％以上）
気孔率 ７０％
ここで、気孔率＝１００×｛１−（中空糸樹脂体積ｃｃ）／中空糸嵩体積ｃｃ）｝
中空糸樹脂体積＝中空糸重量ｇ／ＰＴＦＥ密度
中空糸嵩体積＝中空糸断面積ｃｍ３×長さｃｍ
（２）濾過条件
圧力：５０ｋＰａの圧力の下で濾過を行った。
圧力：５０ｋＰａの圧力の下で濾過を行った。
２．流束および除去率の測定
（１）測定方法
イ．流束の測定
一定時間にメスシリンダに溜まる濾過水量により流束を測定した。
（１）測定方法
イ．流束の測定
一定時間にメスシリンダに溜まる濾過水量により流束を測定した。
ロ．粒状カーボン除去率の測定
燃焼触媒酸化方式のＴＯＣ計（全有機体炭素計）、島津製作所社製、タイプＴＯＣ−Ｖｃを用いて粒状カーボン除去率を測定した。なお、参考としてシリカ、アルミニウム、鉄についても分析を行った。
燃焼触媒酸化方式のＴＯＣ計（全有機体炭素計）、島津製作所社製、タイプＴＯＣ−Ｖｃを用いて粒状カーボン除去率を測定した。なお、参考としてシリカ、アルミニウム、鉄についても分析を行った。
（２）測定結果
イ．流束
流束は、１０ｍ／ｄであった。
イ．流束
流束は、１０ｍ／ｄであった。
ロ．除去率
測定結果を表１に示す。
測定結果を表１に示す。
表１より、ＰＯＣは０．２３ｐｐｍから０ｐｐｍに除去されている、即ち、粒状カーボン除去率１．０で除去されていることが分った。なお、シリカ、アルミニウム、鉄についても除去されていることが確認された。
以上より、本発明の海水淡水化前処理用分離膜を用いると、流束を高くすることができ、さらに、除去率も高くできることが分かる。
（実施例２）
本実施例では、糖類除去率を用いて、分離膜の評価を行っている。
１．濾過
静岡県静岡市沿岸の海水を原水として本発明の分離膜を備えた親水ＴＴ方式および疎水ＴＴ方式の前処理装置を用いて濾過した。なお、比較のため２μｍメッシュの金網を用いて濾過した。以下の測定以外は実施例１と同様である。
本実施例では、糖類除去率を用いて、分離膜の評価を行っている。
１．濾過
静岡県静岡市沿岸の海水を原水として本発明の分離膜を備えた親水ＴＴ方式および疎水ＴＴ方式の前処理装置を用いて濾過した。なお、比較のため２μｍメッシュの金網を用いて濾過した。以下の測定以外は実施例１と同様である。
２．測定
（１）糖類除去率の測定
糖分分析によりＴＯＣおよびガラクトース、グルコースについて除去率の測定を行った。具体的には以下の手順で分析を行った。
（１）糖類除去率の測定
糖分分析によりＴＯＣおよびガラクトース、グルコースについて除去率の測定を行った。具体的には以下の手順で分析を行った。
ａ．試料の調整
試料９８０ｍＬ（ミリリットル）を数回に分けて凍結乾燥を行い、水を用いて洗い込み正確に１００ｍＬとした。
試料９８０ｍＬ（ミリリットル）を数回に分けて凍結乾燥を行い、水を用いて洗い込み正確に１００ｍＬとした。
ｂ．加水分解
調整した試料１ｍＬと４ｍｏｌ／Ｌトリフルオロ酢酸１ｍＬを混合し、減圧封管後、１００℃で３時間加熱し、加水分解を行った。
室温まで放冷後、遠心エバポレータにて溶剤を留去し、水１ｍＬを正確に加えて超音波を照射した。
この溶液を、イオン交換樹脂入りフィルターユニット（０．４５μｍ）に入れ、１分間遠心分離（１００００ｒｐｍ）を行い、試料溶液とした。
調整した試料１ｍＬと４ｍｏｌ／Ｌトリフルオロ酢酸１ｍＬを混合し、減圧封管後、１００℃で３時間加熱し、加水分解を行った。
室温まで放冷後、遠心エバポレータにて溶剤を留去し、水１ｍＬを正確に加えて超音波を照射した。
この溶液を、イオン交換樹脂入りフィルターユニット（０．４５μｍ）に入れ、１分間遠心分離（１００００ｒｐｍ）を行い、試料溶液とした。
ｃ．標準溶液調整
アラビノース、グルコース、ガラクトース、フルクトース、マンノース、およびラムノース、各々１０ｍｇに水を加えて正確に５０ｍＬとした。この溶液５ｍＬを正確にとり、水を加えて正確に５０ｍＬとし、標準溶液とした。標準溶液を水で正確に希釈し、標準溶液１（各約０．２μｇ／ｍＬ）、標準溶液２（各約１μｇ／ｍＬ）、標準溶液３（各約５μｇ／ｍＬ）を調整した。
アラビノース、グルコース、ガラクトース、フルクトース、マンノース、およびラムノース、各々１０ｍｇに水を加えて正確に５０ｍＬとした。この溶液５ｍＬを正確にとり、水を加えて正確に５０ｍＬとし、標準溶液とした。標準溶液を水で正確に希釈し、標準溶液１（各約０．２μｇ／ｍＬ）、標準溶液２（各約１μｇ／ｍＬ）、標準溶液３（各約５μｇ／ｍＬ）を調整した。
ｄ．測定条件
糖分析計 :日本ダイオネクス製 ＩＣＳ−３０００
検出器 :電気化学検出器
カラム ：ＣａｒｂｏＰａｃＰＡ１０（４ｍｍＩ．Ｄ×２５０ｍｍ）
カラム温度：２５℃付近一定温度
移動相Ａ：１０ｍｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム溶液
移動相Ｂ：２００ｍｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム溶液
グラジエント条件は、表２に示す。
糖分析計 :日本ダイオネクス製 ＩＣＳ−３０００
検出器 :電気化学検出器
カラム ：ＣａｒｂｏＰａｃＰＡ１０（４ｍｍＩ．Ｄ×２５０ｍｍ）
カラム温度：２５℃付近一定温度
移動相Ａ：１０ｍｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム溶液
移動相Ｂ：２００ｍｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム溶液
グラジエント条件は、表２に示す。
（２）除去率の測定結果
表３に結果を示す。
表３に結果を示す。
表３より、糖類除去率は、以下のように計算され、金網に比べてガラクトースおよびグルコースが良く除去されていることが分かる。
糖類除去率Ｂ ＝ （ １ − 濾過水中の糖類量 ／ 原水中の糖類量 ）
海水中の糖類：０．０２１＋０．０３１＝０．０５２ｐｐｍ
親水ＴＴ濾過液中：０．０１２＋０．０２２＝０．０３４ｐｐｍ
疎水ＴＴ濾過液中：０．００６＋０．０１２＝０．０１８ｐｐｍ
よって、
親水ＴＴの糖類除去率Ｂ＝（１−０．０３４／０．０５２）＝０．３４
疎水ＴＴの糖類除去率Ｂ＝（１−０．０１８／０．０５２）＝０．６５
糖類除去率Ｂ ＝ （ １ − 濾過水中の糖類量 ／ 原水中の糖類量 ）
海水中の糖類：０．０２１＋０．０３１＝０．０５２ｐｐｍ
親水ＴＴ濾過液中：０．０１２＋０．０２２＝０．０３４ｐｐｍ
疎水ＴＴ濾過液中：０．００６＋０．０１２＝０．０１８ｐｐｍ
よって、
親水ＴＴの糖類除去率Ｂ＝（１−０．０３４／０．０５２）＝０．３４
疎水ＴＴの糖類除去率Ｂ＝（１−０．０１８／０．０５２）＝０．６５
このように、本発明によれば、有機濁質を高効率で除去することができ、脱塩装置の目詰まりを長期に防ぐことができ、コストを低減することができる。また、親水ＴＴ方式に比べて疎水ＴＴ方式ではその効果が大きいことが分かる。
以上本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
１ 結節部
２ 細孔
３ 細繊維
１０ 脱塩装置
１１ 前処理装置
２ 細孔
３ 細繊維
１０ 脱塩装置
１１ 前処理装置
Claims (10)
- 逆浸透膜を用いた海水淡水化の前処理に用いられる海水淡水化前処理用分離膜であって、
島状に分布する樹脂の塊により形成された孔と、この樹脂の塊間に微細繊維が入り組んだフィブリル構造とを有し、前記孔の孔径が１μｍ以上であり、
一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値として定義される標準流束Ａが、２ｍ／ｄ以上であると共に、
下式で示される糖類除去率Ｂが、０．３以上である
ことを特徴とする海水淡水化前処理用分離膜。
糖類除去率Ｂ＝（１−濾過水中の糖類量／原水中の糖類量）） - 前記糖類除去率Ｂが０．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の海水淡水化前処理用分離膜。
- 逆浸透膜を用いた海水淡水化の前処理に用いられる海水淡水化前処理用分離膜であって、
島状に分布する樹脂の塊により形成された孔と、この樹脂の塊間に微細繊維が入り組んだフィブリル構造とを有し、前記孔の孔径が１μｍ以上であり、
一定流束で濾過を行い、初期３０分の平均膜間差圧Ｐ１と、１２０分経過以降３０分間の平均膜間差圧Ｐ２との間で、Ｐ２≦１．５×Ｐ１を満足することができる流束の最高値として定義される標準流束Ａが、２ｍ／ｄ以上であると共に、
下式で示される粒状カーボン除去率Ｃが、０．３以上である
ことを特徴とする海水淡水化前処理用分離膜。
粒状カーボン除去率Ｃ＝（１−濾過水中のＰＯＣ／原水中のＰＯＣ）
但し、ＰＯＣ：懸濁体有機炭素量（全有機炭素量と溶存有機炭素量との差） - 前記粒状カーボン除去率Ｃが０．５以上であることを特徴とする請求項３に記載の海水淡水化前処理用分離膜。
- 前記海水淡水化前処理用分離膜が、ポリテトラフルオロエチレン製であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜。
- 前記海水淡水化前処理用分離膜が、親水化加工されてないことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜。
- 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜が濾過膜として用いられていることを特徴とする海水淡水化前処理装置。
- 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の海水淡水化前処理用分離膜を用いた前処理手段の後に、精密濾過膜または限外濾過膜を用いた前処理手段が設けられていることを特徴とする海水淡水化前処理装置。
- 請求項７または請求項８に記載の海水淡水化前処理装置と、
逆浸透膜を用いた脱塩処理装置と
を有することを特徴とする海水淡水化装置。 - 請求項７または請求項８に記載の海水淡水化前処理装置を用いて濾過された原水を、逆浸透膜法を用いて脱塩処理することを特徴とする海水淡水化方法。
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