JP6865332B1 - リアルタイム膜表面監視方法及び装置 - Google Patents

Abstract

膜表面のファウリング及びミネラルスケーリングの直接的で曖昧でない検出のための膜表面監視システム（ＭＳＭ）及び膜表面監視セル。このシステムは、膜表面監視システムセルと、制御弁と、保持液流量計／トランスミッタと、コントローラとを含む。ＭＳＭセルは、視覚的に観察可能な膜と、エッジライト導光板と、エッジ照明光源と、保持液モジュールと、透過液モジュールとを有する。加圧された入口ストリームが、ＭＳＭセルの中に供給される。フィードが、膜シートに接触し、膜ベースの分離動作に至り、保持液及び透過液ストリームを生じる。ＭＳＭセルは、表面照明と撮像コンポーネントとを一体化しており、リアルタイムでの膜表面の直接的なリアルタイム視覚化とスペクトル撮像とを可能にしている。ＭＳＭセルの供給側における圧力は、プラント制御システムがプラント動作条件を調節できるように、監視されている膜プラント要素の圧力と近似的に等しい。【選択図】図４ｃ

Description

関連出願の相互参照
[0001] なし

連邦政府による支援を受けた研究又は開発
[0002] なし

[0003] 本発明は、膜表面監視（ＭＳＭ）システムに関し、さらに詳しくは、膜表面のファウリング及びミネラルスケーリングを直接的に検出するためのＭＳＭシステムに関する。

[0004] 膜技術は、様々な液体の濾過のために用いられる。この技術は、運用が簡単で、最小限の化学物質のみを必要とするものであり、均一で信頼性の高い水質を生じさせるための水及び廃水の処理並びに水脱塩に特に有用である。

[0005] 濾過のいくつかの方法は、逆浸透（ＲＯ）及びナノ濾過（ＮＦ）の使用を含んでおり、これらは、膜を用いることによって、水を脱塩することができる。しかし、膜の使用は、難水溶性の塩の沈殿や、微粒子、コロイド物質及びバイオファウラントによるファウリングに起因する膜表面における膜ミネラルのスケール形成によって、制限される。

[0006] 濾過システム及び方法におけるひとつの問題として、生成水の回収が膜モジュールに沿って増加するにつれて、膜表面の近傍と膜チャネルの供給側での全体とにおいて、ミネラル塩のミネラル濃度が上昇するということがある。この濃度増加は、供給側の水に存在するミネラル塩の溶解限度を超えるレベルまで上昇することがあり、結果的に、全体に沈殿して膜表面上に堆積する、及び／又は、膜表面の上に直接に結晶化することがあり得る。

[0007] ミネラルの表面スケーリングは、結果的に、透過流束の低下を生じさせ、これは、最終的には膜の損傷に至り、よって、膜の寿命を短縮し、水処理のコストを上昇させる。微粒子物質、有機及びバイオファウラント（たとえば、バクテリア）に起因する膜ファウリングは、また、膜表面をブロックするため、膜性能を低下させる。膜のミネラルスケーリング及びファウリングは、共に、（所与の加圧に対する）流束の低下につながるか、又は、（所与の透過流束に対する）加圧の増加を要求することになり、したがって、運用（たとえば、エネルギ、処理用化学物質）及びメンテナンスコストの増加を生じさせる。

[0008] 膜のファウリング及びスケーリングへの対処のために、様々な試みが、なされてきた。たとえば、ミネラルスケーリングの場合には、バルク溶液におけるミネラル沈殿の停止を促進するための追加的な添加物と共に、ミネラル塩の核形成及び成長を遅らせるために、アンチスケーラントが用いられる。上述のものは、たとえば、膜ベースの水の脱塩手段及び方法を使用する場合に生じ一般的に問題となるミネラルスケーラントのうちの３つである、硫酸カルシウム二水和物（すなわち、石膏）、炭酸カルシウム、及びシリカと関連するミネラルスケーリングに起因するスケーリングを減少させるために、一般的に用いられる。アンチスケーラントは、膜表面におけるミネラル塩の飽和レベルが推奨されるレベルを超えないという条件の下で、ミネラルスケーリングを抑制するために、用いることが可能である。生産水の回収は、アンチスケーラントを用いることによっても、制限されることがあり得る、ということを注意しておく。さらに、特に、供給される水質及び要求される水生産性が変動し得るときには、正確なアンチスケーラント線量を設定することが難題となる可能性がある。同様に、膜ファウリングは、供給される原水の水質と、膜ベースの水処理／脱塩に先立って供給される原水を条件付けるのに用いられるフィード前処理とに影響される。

[0009] ＮＦ／ＲＯ膜の上へのミネラルスケーリングを効果的に緩和する又は防止するためには、適切な是正処置をトリガするための早期のスケール検出が、決定的に重要である。緩和は、これらに限定されることはないが、フィード流率及び圧力の調整、プラントで生成される水の回収、アンチスケーラント線量、及び膜洗浄を含み得る。

[0010] ＲＯ膜のミネラルスケーリングとファウリングとのリアルタイムでの検出のために、様々なアプローチが提案されてきた。提案されているアプローチの多数は、（膜差圧が一定な動作に対する）透過流速の低下、又は、（透過流速が一定な動作に対する）膜差圧（ＴＭＰ）の上昇など、膜ファウリングの集計的で間接的な測定に依拠している。これらの方法は、典型的には、スケーリング及びファウリングの適切な早期検出を提供することがなく、生じるスケーリング／ファウリングのタイプを確認するのに用いることが不可能である。ミネラルスケーリングとファウリングとの間接的な検出を提供する他に試みられてきたシステム及び方法は、超音波時間領域反射率測定法（ＵＴＤＲ）と電気インピーダンス分光法（ＥＩＳ）とを用いてきている。ＵＴＤＲ及びＥＩＳ信号は、スケーラント層の質量又は厚さと相関させることが可能である。しかし、これらのシステム及び方法は、肯定的なスケール検出が可能となる前にスケーラント又はファウラントの堆積が表面に大量に積み重なることを要するのが典型的であるので、早期検出のための上述したアプローチの精度を備えておらず、産業界のニーズに十分に対応できていない。上述したアプローチは、また、ＲＯプラント要素について、外部の膜セルにおいても直接的にも、膜表面におけるファウラント又はスケーラントのタイプの直接的な識別を提供できず、膜表面の表面撮像も提供できない。

[0011] 光源を膜表面に対して垂直に方向付ける膜表面を撮像する方法が、低圧における膜による水処理（たとえば、精細及び限外濾過）のために提案されており、この場合では、表面に堆積されたバクテリアと相互反応を生じ表面のバクテリアの可視的なコントラスト及び十分な可視性を提供する化学染料が用いられる。しかし、後者のアプローチは、流体ストリームが高圧下にあるときの膜表面の撮像には、適さない。さらに、そのような膜表面撮像方法は、光学的コントラストを提供するために染料の注入が必要である場合のリアルタイムでの監視には実際的でない。

[0012] ＲＯ膜におけるミネラル塩の結晶の形成を数量化する１つの試みが、「Method and System for Monitoring Reverse Osmosis Membranes」と題され、Cohen及びUchymiakに発行された米国特許第７，９１０，００４号に開示されており、この米国特許は、すべての目的のために、その全体が引用によって本明細書に組み込まれるものとするが、逆透過（ＲＯ）ユニット（プラント）からスリップストリームを受け取るＲＯフローセルを開示している。このセルは、フローの方向に対して（膜チャネルの外部から）垂直に向けられた光源を用いる。この光は、フローチャネルのコーナーに沿って配置されたミラーの上に向けられ（約４５度の角度）、このミラーが、入射光を、膜表面を横断して反射する。

[0013] この試みられた解決策は、その不自然さと脆弱性とのために、産業界のニーズに十分に対応してきていない。たとえば、反射用のミラーを用いる従来型のシステムの１つの短所として、厚さが１ｍｍ及びそれ未満のオーダーである４５度のミラーを製造する技術的困難がある。したがって、商用のスパイラル状に巻かれたＲＯ／ＮＦ要素で見いだされるチャネルを模倣するチャネルを作成するときには、それらの要素におけるチャネルの高さは１ｍｍ未満であるのが典型的であるため、ミラーの使用は、実際的でない。従来型のシステムにおけるフロー制御のアプローチは、フィード流率（したがって、クロスフロー速度）とフィード側圧力とを制御するために、フローチャネルの入口及び出口において、調節可能な弁が用いられるというものである。従来型のシステムは、圧力及びフローの制御を達成するために、両方の弁を同時に調節することを必要とする。試みられた解決策の別の制約として、その光学窓をセルの残りの部分に固定し漏れを防止するために必要とされる複数のコンポーネントを有する光学窓が必要とされることがある。上述のこととは無関係に、１ｍｍ未満の高さのセルを作成することは、従来型のシステムにおけるセル埋め込み型のミラーが原因で、実行不可能であろう。従来型のシステムのさらに別の短所は、膜の交換によって複数のコンポーネントの分解と膜の交換の後における光源の再位置決めとが必須になることであり、時間劣化し得るゴム製シートによって作られる保持液チャネルは、時間経過に伴う温度変化と長時間の圧縮とに起因して変形する。

[0014] 少なくとも、現行の膜監視システム、セル、及び方法における上述した短所のため、改善された膜監視システム、セル、及び方法に対する必要性が、継続的に存在している。

[0015] 本発明は、脱塩プラントにおける高圧にまで至る動作条件の下での、膜表面のファウリング及びミネラルスケーリングの直接的で曖昧でない検出のための膜表面監視システムである。このシステムは、膜による水処理及び脱塩プラントにおいて、任意の膜要素を監視するのに、用いることが可能である。このシステムは、可視光、ＵＶ又はＩＲ光源のいずれかを用いて、膜表面のリアルタイムでの表面画像と反射率スペクトルデータとを提供する。表面画像とスペクトルデータとは、ファウラント及びスケーラントのクラスの識別に加えて、膜表面におけるファウリング／スケール被覆率の進行に関する、ある範囲の数量的メトリクスを提供するために、そして、膜プラントの動作期間にわたる動作期間にわたるファウリング／スケーリングの差異を確立するために、リアルタイムで分析されることが可能である。次に、ファウリング／ミネラルメトリクスに関するデジタル及びアナログ信号の数量的な出力は、膜のファウリング／スケーリングを緩和するための適切な戦略を確立するときに、プラントオペレータを導くために、用いることが可能になる。

[0016] たとえば、ファウリング／スケーリングの早期の検出は、供給フローの反転モードでのプラント動作のトリガに加えて、真水の出水、適切な洗浄溶液を用いた膜洗浄、プラント動作圧力の調節、生成水の回収の調整を伴う又は伴わない供給流率、膜要素の浸透逆洗浄など、スケール緩和操作をトリガするために、信号をプラント制御システムに送る（又は、プラントオペレータに警告する）ために、用いることが可能である。このシステムは、完全に自動化されており、診断タスクのために（たとえば、動作条件、アンチスケーラント及び膜洗浄用化学物質の有効性に関する、膜の特徴付け及び査定）、プラントモニタとして又は自立モードで、動作されることが可能である。本発明は、有益な膜プラント監視及びロバスト制御を可能にするために、プラントのフィードバック制御のためのミネラルスケーリング／ファウリングのタイプ及び深刻度に関する数量的メトリクスを生成するリアルタイムでの膜表面監視のための、より優れたアプローチを提供する。

[0017] 本発明は、膜と平行に光を方向付けるため、ミラーの代わりに、エッジライト導光板とエッジ照明光源とを有利に用いることにより、画像捕捉デバイスによって捕捉される画像の画質を向上させるために、光源からの迷光を減少させる。ミラーの代わりに、エッジライト導光板と照明された光源とを用いることによって、時間経過に伴うセルの変動を最小化し、膜表面のより正確な視覚及びスペクトルデータ分析など、多数の効果が得られる。

[0018] 本発明のある態様では、膜のスケーリング、微粒子ファウリング及びバイオファウリングを監視するのに用いるための、フィードストリームを受け取り、濃縮液ストリームを放出する膜表面監視セルが存在する。この膜表面監視セルは、活性フィード側に第１の表面を有する視覚的に観察可能な膜を有する。この膜表面監視セルは、また、保持液チャネルを形成し、加圧された流体を保持液チャネルにおいて分離するように動作可能なアパーチャを有するエッジライト導光板であって、視覚的に観察可能な膜が、エッジライト導光板に隣接するように位置決めされアパーチャに重なっている、エッジライト導光板を有する。このエッジライト導光板は、視覚的に観察可能な膜の第１の表面を照明するために、透明な又は半透明な材料で構成されていることにより、観察者が、視覚的に観察可能な膜の第１の表面におけるスケーリング、微粒子、及びバイオファウリングを見ることが可能になる。この膜表面監視セルは、また、エッジライト導光板に固定されており、エッジライト導光板を照明することにより、視覚的に観察可能な膜と実質的に平行に照明を提供するように動作可能な、エッジ照明光源を有する。この膜表面監視セルは、また、保持液モジュールを含んでおり、この保持液モジュールは、保持液モジュール支持ブロックと、保持液モジュールブロックの内部にあり、視覚的に観察可能な膜を見るための光学窓と、膜表面監視セルの中へのフィード取り入れストリームのための入口導管と、液体濃縮ストリームの出口のための出口導管とを有する。この膜表面監視セルは、また、透過液モジュールを含んでおり、この透過液モジュールは、透過液モジュール支持ブロックと、エッジライト導光板のアパーチャと視覚的に観察可能な膜とを通過した透過液を受け取る受け取る透過液コレクタと、透過液を透過液モジュールから離れる方に導くための透過液出口導管とを有する。その動作可能な構成では、エッジライト導光板は、保持液モジュールと透過液モジュールとの間に位置決めされる。

[0019] 本発明の別の態様では、濾過ユニットにおけるスケーリング、微粒子ファウリング、及びバイオファウリングを監視するための膜監視システムが存在する。このユニットは、上述された及び実施形態の詳細な説明に記載されている膜表面監視セルを含み、また、視覚的に観察可能な膜の表面の画像を捕捉して、捕捉された画像を示す画像データ信号を生成するように動作可能であるように構成され、監視システムに対して配置された撮像システムを含む。このシステムは、また、撮像システムに動作的にリンクされておりその撮像システムから画像データ信号を受け取るデータ処理システムを含む。このデータ処理システムは、視覚的に観察可能な膜におけるスケーリング、微粒子ファウリング及びバイオファウリングのうちの少なくとも１つの程度に関する指示を提供するように、画像データと反射率スペクトル信号とを分析するように動作可能である。このシステムは、また、照明、画像捕捉、画像データ管理、画像分析、スペクトルデータ取得及び外部データ通信、入口流率、並びに活性フィードにおける圧力を、近似的に、監視されている膜プラント要素又はプラント部分の圧力とするように、制御するように動作可能なコントローラを含む。

[0020] 本発明のさらに別の態様では、本発明は、膜のスケーリング及びファウリングを監視するための方法を含んでおり、この方法は、上述された及び実施形態の詳細な説明に記載されている膜表面監視セルを提供するステップと、視覚的に観察可能な膜の第１の表面を取り込みストリームに通過させるステップと、視覚的に観察可能な膜の第１の表面の照明された部分からの撮像及びスペクトルデータを収集するステップとを含む。収集されたデータは、視覚的に観察可能な膜の第１の表面におけるスケーリング及びファウリングの存在及び程度を示す。収集されたデータは、収集された画像及びスペクトルデータを、データ処理システムに送る。収集されたデータは、濾過ユニットの膜のスケーリング及びファウリングに相関させる視覚的に観察可能な膜におけるスケーリング及びファウリングの程度及び性質を判断するために、データ処理システムを用いて、解釈される。

膜表面監視システムのプロセス概略図である。 膜プラントの高圧供給側における表面監視システム展開の実施形態の概略図である。 膜プラントの高圧濃縮液側における表面監視システム展開の実施形態の概略図である。 スタンドアロン動作の下での表面監視システム展開の実施形態の概略図である。 逆透過ストリームの中に一体化された膜表面監視システムの実施形態である。 膜表面監視セルの斜視図である。 図４ａの膜表面監視セルのｘ−ｚ平面における断面図である。 図４ａの膜表面監視セルのｙ−ｚ平面における断面図である。 エッジライト導光板の実施形態である。 セルの膜を横断する光の方向を示す膜表面監視セルの部分概略図である。 膜表面監視セルのｙ−ｚ平面に沿った展開断面図である。 膜表面監視セルのｘ−ｚ平面に沿った展開断面図である。 本発明の実施形態における膜表面の撮像及びスペクトル分析のステップを図解しているブロック図である。 膜システム監視セルの展開図であり、この膜システム監視セルを全体として保護するためのクランプの間に挟まれてセルを示す。

[0035] さて、以下では、本発明について、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、より十分に説明される。しかし、本発明は、多くの異なる形式で実施され得るのであって、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的且つ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、提供されている。

[0036] ある要素が別の要素の「上に」存在すると称されるときには、その要素は、その別の要素の上に直接的に存在する場合があり得、又は、それらの要素の中間に介在する要素が存在する場合もあり得る、というように理解される。本明細書で用いられる場合には、「及び／又は」という用語は、関連してリスト化されている項目のうちの１つ又は複数の任意の及びすべての組合せを含む。

[0037] 本明細書では、第１、第２、第３などの用語が、様々な要素、成分、領域、層、及び／又は部分を記述するために用いられ得るが、これらの要素、成分、領域、層、及び／又は部分は、これらの用語によって限定されるべきではない、というように理解される。これらの用語は、単に、ある要素、成分、領域、層、及び／又は部分を、別の要素、成分、領域、層、及び／又は部分から区別するために、用いられる。

[0038] 図面に図示されている要素、成分、領域、層、及び部分は、必ずしも寸法通りに描かれてはいない、というように理解される。

[0039] 本明細書で用いられる専門用語は、特定の実施形態を説明するという目的のためのものであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で用いられる場合には、単数形「a」、「an」、及び「the」は、そうではないことを文脈が明確に示していない限り、複数形も同様に含むことが意図されている。「備える（comprises）」及び／又は「備えている（comprising）」又は「含む（includes）」及び／又は「含んでいる（including）」という用語は、この明細書で用いられるときには、明記されている特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は成分の存在を明示するものであるが、１つ又は複数のそれ以外の特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、成分、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を除外することはない、というようにさらに理解される。

[0040] さらに、「下側」又は「底部」、「上側」又は「頂部」、「左」又は「右」、「上部」又は「下部」、「前」又は「後」など、相対的な用語は、本明細書では、図面に図解されているように、ある要素の別の要素との関係を説明するために、用いられ得る。相対的な用語は、図面に図示されている方向に加えて、そのデバイスの異なる複数の方向を包含するように意図されている、というように理解される。

[0041] そうでないと定義されない限り、本明細書で用いられるすべての用語は、この発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般的に用いられる辞書で定義されているような用語は、関連の技術分野及び本開示の文脈におけるそれらの意味と矛盾しない意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定義されていない限り、理想化された又は過渡に形式的な意味で解釈されることはない、というように理解される。

[0042] 本明細書では、本発明の例示的な実施形態が、本発明の理想化された実施形態を参照して、説明されている。そうであるため、たとえば製造技術及び／又は公差の結果として、例示の形状からの変動が、予測されることがある。よって、本発明の実施形態は、本明細書で例示されている領域の特定の形状に限定されるものとして解釈されるべきではなく、たとえば製造の結果として生じる形状に関する逸脱を、含むことがあり得る。本明細書で例示的に開示されている本発明は、本明細書に特に開示されていないいずれかの要素が存在しない場合でも、適切に実現され得る。

[0043] 図面を参照すると、図１は、濾過（精密濾過、限外濾過、及びナノ濾過）又は逆浸透（ＲＯ）の間に、膜表面のリアルタイムでの直接的な監視を可能にする膜表面監視（ＭＳＭ）システムのプロセス概略図を表す。図１に図示されているように、ＭＳＭシステムは、ＭＳＭセル１０と、制御弁ＣＶと、第１の保持液流量計／トランスミッタＦＴ−１と、コントローラ１２とによって構成されている。加圧された入口ストリーム１４が、ＭＳＭセル１０に供給される。セルＭＳＭセル１０では、この供給は、膜シート１６に接触し、膜ベースの分離動作（すなわち、限外濾過、ナノ濾過などの濾過、又は逆浸透）に至り、保持液及び透過液ストリームを生じる。ＭＳＭセル１０は、膜１６の表面の直接的でリアルタイムでの視覚化をリアルタイムで可能にするため、表面の照射１８と撮像コンポーネント２０（図４ｃ及び図６を参照のこと）とを一体化している。プロセスコントローラ１２は、ＭＳＭセル１０における撮像及び照射動作を制御するものであるが、これは、照射強度制御、画像及びスペクトルデータキャプチャ始動、画像及びスペクトルデータ管理、画像及びスペクトル分析、及び外部データ通信１００を含む。膜表面監視セル１０を通過する入口流率を調整して、ＭＳＭセル１０の供給側２２における膜１７（図４ｃ、図６、及び図７ｂを参照）の第１の表面における圧力を、監視されている膜のプラント要素又はプラント部分の圧力に近似的に維持するために、制御弁ＣＶが、ＭＳＭセル１０から出る保持液ストリームに、装備される。プロセスコントローラ１２は、保持液流率へのフィードバック制御入力を提供し、第１の保持液流量計／トランスミッタＦＴ−１での測定された流量と保持液流量の定点値とに基づいて、制御弁ＣＶアクチュエータを操作する。オプションのセンサが、膜表面監視システム６に装備されることがあり得るが、このオプションのセンサは、供給における第１の圧力センサ／トランスミッタＰＴ−１、保持液フローにおける第１の導電率計／トランスミッタＣＴ−１、透過液ストリームに沿った第２の導電率計／トランスミッタＣＴ−２、保持液ストリームにおける第１の温度センサ／トランスミッタ（ＴＴ−１）、及び透過液ストリームにおける第２の流量計／トランスミッタＦＴ−２を含む。これらのオプションのセンサ／トランスミッタは、ＭＳＭセル１０における濃度分極レベルと膜性能（すなわち、水透可性、脱塩率）とのリアルタイムでの特徴付けに有用である。

[0044] ＭＳＭシステム２６は、様々な方法で、実装され得る。図２ａ及び図２ｂは、プラント膜要素２４の膜アレイを有する膜プラントにおいて、膜１６のファウリング及び／又はスケーリングをリアルタイムで監視するためのＭＳＭシステム２６の最も一般的な実装例を、図示している。それぞれの実施形態では、ＭＳＭシステム１０に、膜プラント濾過ユニット２４から、高圧側ストリーム３０が（すなわち、膜プラント動作に対する衝撃を最小化するために十分に小さな流率で）供給される。たとえば、膜プラント濾過ユニット２４の先頭にある膜要素における膜ファウリングを監視するために、ＭＳＭシステム２６には、高圧膜プラントフィードＳＰ１から、小さなサイドストリーム３０が供給される（図２ａを参照）。膜プラント２４の最後尾の膜要素における膜ファウリング／ミネラルスケーリングを監視するために、ＭＳＭシステム２６には、高圧膜プラント濃縮液から（すなわち、図２ｂを参照して、サンプリング点２であるＳＰ２から）、小さなサイドストリーム３０が供給される。両方の場合に、ＭＳＭシステム２６は、プラント制御システム２８に、膜１６のファウリング／ミネラルスケーリングの開始の際の膜プラント２４の状態について、知らせる。これにより、プラント制御システム２８は、長期にわたる又は制御されていない膜１６のファウリング／ミネラルスケーリング状態による深刻な効果を回避するために、プラントの動作状態を、（たとえば、プラントのポンプ３２及び弁の設定、処理用化学物質の線量の調節を通じて）適切に調節することが可能になる。

[0045] 図２ａ及び図２ｂにおいて具体化されている膜プラント２４とのインターフェースに加えて、ＭＳＭシステム２６は、図２ｃに示されているように、外部供給ポンプ３２を用いて動作するスタンドアロンのシステムとして構成されることも可能である。図２ｃに示されている構成は、たとえば、与えられた源水のファウリング又はミネラルスケーリング傾向を評価する、ファウリング／ミネラルスケーリング緩和方法の効率を査定する（すなわち、アンチスケーラントを用いる、ｐＨ調整を供給するなど）、フィード前処理の有効性を査定する、及び、膜動作の水回復限度を評価する（すなわち、ファウリング／ミネラルスケーリングを防止する）ために用いることが可能である。

[0046] 本発明の重要な態様は、膜プラント動作に対する衝撃を最小化しながら、ＭＳＭセル１０の圧力を、監視されている膜プラント部分２４（たとえば、図２ａにおけるようにサンプリング点１に近いか又は図２ｂにおけるようにサンプリング点２に近い膜平面の前端部における、図２ａ〜ｂの先頭又は最後尾の膜要素）の圧力に可能な限り近くなるように一致させるというアプローチである。圧力を一致させることにより、監視されているプラントの膜２４の要素に対するＭＳＭセル１０における濃度分極レベルを、ＭＳＭセル１０における保持液流率によることを通じて、調整することが可能になる。ＭＳＭセル１０におけるフローチャネルの幾何学的形状（すなわち、チャネルの厚さ及びチャネルスペーサのデザイン）が、プラントにおける膜要素２４のそれと同一である特別な場合には、監視されているプラント部分における流体力学的条件を厳密に模倣するために、ＭＳＭセル１０における平均的な保持液のクロスフロー速度と、監視されているプラントの膜要素２４のそれとを一致させることが可能である。

[0047] 例示として、図３に図示されているように（すなわち、図２ｂにおける構成と同じであるが）、逆浸透（ＲＯ）プラントの最後尾の膜要素２４を監視するためのＭＳＭシステム２６の実装を考察する。ＭＳＭ２６を通過する圧力低下を最小化するために、フローリストリクタ（すなわち、フロー制御弁）は、ＭＳＭセル１０への供給側のサイドストリーム導管１０２で用いられない。しかし、所望の圧力を維持し、ＭＳＭセル１０の中への流率を調整するために、ＭＳＭシステム２６の保持液ストリームには、保持液ストリーム流量制御弁１０４が装備されている。また、第１の流量計／トランスミッタが、出口ストリーム１０８に接続され、信号線１０６を経由してコントローラ１２に動作的に接続される。サイドストリーム導管１０２を通過する流率は、膜プラントの主弁３８がＭＳＭシステム２６からの外乱が最小となるように動作可能であるように、膜プラントの濃縮液（又は保持液）導管３６における全体的な流率より著しく小さいことも必須である。ＭＳＭ２６からの出口フローは、濃縮液ストリームＣに戻ることなく、ドレイン３４の中に処分されるか、又は、希望に応じてプラントにおける適切な場所に送られる。対照的に、多くの現行のシステムは、サイドストリーム導管における弁を必要としており、この弁は、監視セルにおける濃度分極レベルを調整するために、膜ＲＯプラントの主要弁及び監視システムの保持液弁と共に用いられる。サイドストリーム導管で弁が用いられるため、これは、部分的な圧力低下を生じさせ得るのであって、所望の濃度分極レベルを維持するために、監視セルにおける保持液フローの調節が必要とされる。本発明は、監視セル１０の圧力をプラント２４のそれと一致させることの恩恵のために、有利である。さらに、本発明は、また、プラント２４の動作への衝撃を最小化するためにサイドストリーム導管１０２において低い流量を用いることができるために、有利でもある。本発明は、ＲＯプラントだけではなく、ナノ濾過（ＮＦ）、限外濾過、及び精密濾過プラントの監視にも応用可能であるということが、一般性を失うことなく、指摘される。

[0048] 膜表面監視（ＭＳＭ）セル
[0049] 本発明の中心的なコンポーネントは、膜表面監視（ＭＳＭ）セル１０であるが、ＭＳＭセル１０は、現行の膜表面監視システムには存在しない有利な特徴をいくつか含む。本実施形態における特徴は、プラント膜システム２４における典型的なスパイラル状に巻かれた膜要素における保持液チャネルの幾何学的形状とフロー条件とを厳密に模倣するために、保持液チャネル４２において、供給チャネルスペーサ４０を用いることができることを含む。本発明では、ＭＳＭセル１０は、完全に一体化されたシステム（図４ａ〜ｃ）として、４つの主なモジュール、すなわち、ａ）表面画像モジュール４４と、ｂ）保持液モジュール４６と、ｃ）透過液モジュール４８と、ｄ）エッジ照射／光源５０とを組み合わせている。図４ａに示されているように、フィード流体は、保持液モジュール４６における入口導管５に入る。流体は、保持液モジュール４６の保持液チャネル４２に送られ、透過液モジュール４８の膜１６と接触する。膜１６によって拒絶された流体は、保持液出口導管５４を経由して、保持液モジュール４６から外に出る。流体は、セルの活性側２２にある第１の表面１７から、保持液側２３にある膜の第２の表面１９へ、膜１６を通過する。流体は、透過液モジュール４８の透過液収集部５６で収集され、透過液出口導管５８を経由して、セル１０の外へ出る。保持液モジュール４６では、ユニークな透明エッジライト導光板６０が、保持液チャネル構造６０を形成すると共に、エッジライト導光板６０の側方エッジ６１に固定されたエッジ照射／光源５０を用いて膜１６の表面に平行な側方照射を可能にするように機能する。保持液チャネル構造６０は、ほぼ任意の厚さでの製造が可能であるため、スパイラル状に巻かれた膜要素において一般的に用いられるフィードスペーサ４０の厚さと一致するように、カスタムメイドとすることが可能である。典型的なフィードスペーサは、およそ２０〜１００ミル（約０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ）の範囲であり得るし、好ましくは、およそ２０〜４０ミル（約０．５ｍｍ〜１ｍｍ）の間であり得るため、別個の保持液チャネル構造６０を用いることにより、保持液チャネルにおいてフィードスペーサ４０を用いる（又は、用いない、すなわち、空のチャネルとする）という柔軟性が提供される。保持液モジュール４６に透明部分又は光学窓６４があることにより、カメラ８０とレンズ８２との両方を有する表面映像モジュール４４におけるカメラ−レンズユニット６４を用いて、保持液チャネル４２を通過して膜１６の表面までを直接的に撮像することが可能になる。カメラは、撮像のために通常用いられるタイプのカメラでもよく、好適な実施形態ではＣＣＤであるが、これに限定されることはないがＣＭＯＳなど他の技術を用いることもあり得る。原則として、可視光のＬＥＤから様々な波長のＬＥＤ（たとえば、紫外光、赤外光）までの範囲にある十分な強度のいずれかの光源６２が、エッジの照明のために用いられ得る。マクロ撮像のための高倍率光学顕微鏡から、分光撮像（たとえば、紫外光、可視光、赤外光）までの範囲で、いずれかのカメラ−レンズユニット６６が用いられ得る。本発明で用いられ得る様々な光源とカメラ−レンズユニットは、広く知られており、当業者によって理解される。

[0050] 表面照明
[0051] 本発明における強化された表面撮像のための主な原理は、光の経路を、膜１６の表面のすぐ上方であるが平行な方向又はほとんど平行な方向（すなわち、低い角度）に向ける特別な照明に依拠している。このアプローチを用いると、膜１６の表面に形成されるどの対象物８５も、光経路の中に突き出るのであり、（対象８５と膜１６の表面の背景との間で）高いコントラストの画像を得ることが可能になるように、（保持液チャネル４２の上方にある光学的透明部分６４を通して見ている）カメラに向かって光が散乱することになる。この照明技術は、ローアングル又は暗視野照明法として、一般的に知られており、対象と背景表面との間のコントラストを強化するのに用いられるのが典型的である。この照明技術を、濾過又は逆透過動作の間のリアルタイムでの膜表面監視に適用する際に、主要な技術的課題は、加圧された濾過又は逆透過条件の下で動作している膜１６の表面の上方に、いかにして平行な／ローアングルの照明を提供すべきか、ということである。本発明では、この課題への解決策は、図５において独立して示されており、好ましくは不透明である保持液支持ブロック６８と透過液モジュール支持ブロック７０との間に圧迫される透明なエッジライト導光板６０を用いることである。導光板６０の中程にある開口すなわちアパーチャ７２は、保持液チャネル４２を形成しているが、これは、スパイラル状に巻かれた膜要素で典型的に用いられる一般的なフィードスペーサ４０を収容するようにカスタムメイドされたチャネル厚を有するように形成されることが可能である。保持液チャネルの入口／出口領域におけるフローの乱れは、アパーチャ７２を包囲する導光板６０において勾配すなわちテーパ状の表面７４を構築することによって、最小化することが可能である。アパーチャ７２を包囲するテーパ状の表面７４は、膜チャネル４２へのフローの円滑な移行を可能にする範囲の角度を用いて、構築されることが可能である。透明なエッジライト導光板６０の機能は、ａ）保持液チャネル４２において、加圧された流体を分離するために、保持液チャネル構造を形成し、複数の密封部材７６を用いて、漏れを防止すること、ｂ）透過液収集器５６の上方に固定されるように、膜を圧迫すること、ｃ）透明な撮像部６４のためのフレームとしても作用する不透明な保持液モジュール支持ブロック６８を保持すること、ｄ）典型的なスパイラル状に巻かれた膜要素の保持液チャネル２４における流体力学的条件を厳密に模倣するために、保持液チャネル４２の内部に配置され得る光学フィード４０スペーサを収容すること、及びｅ）空であるか又はフィードスペーサ４０で満たされていることがあり得る保持液フローチャネル４２を照明するための直接的な（すなわち、ミラー反射なしでの）エッジ照明／光源６２を用いて、光の効果的な透過を可能にすること。導光板６０は、不透明な支持構造６８との組合せで、光経路が膜１６の表面に対して平行な向き又はほとんど平行な向きとなることを保証することにより、迷光を最小化し、膜１６の表面上の対象物と背景となる膜１６の表面との間のコントラストを最大化する。表面の対象物によって被覆されない面積（すなわち、膜のクリーンな面積）における膜１６の表面と垂直な光経路（すなわち、迷光）を最小化することは、優れた撮像と、表面対象物（特に、透明な対象物）と膜１６の表面との間の優れたコントラストとを保証するために決定的に重要である。また、組み立て後の最小限の設定を用いて、均一な照明を有することも、重要である。導光板は任意の透明な材料で作成されることが可能であるが、分散され光を拡散させる微粒子が配合されたアクリル（Lucitelux LGP又はAcrylite Endlightenなど）を用いて製造されたプラスチック製のエッジライト導光板６０が好適であり、その理由は、それが、エッジ照明／光源６２の向きの最小限の調節で、保持液フローチャネル４２の全体を通じて均一の照明を最良に提供するからである、ということが留意されるべきである。

[0052] 一般的に用いられる表面監視セルは、膜表面に対して垂直な向きに光を提供した光源から生じた光を反射することによって生成された平行な光経路を用いており、そのような光は、保持液フローチャネルの内部に配置されたサイドミラーにおいて方向が決定される必要があったために、本発明は、有利である。潜在的にフローに乱れを生じさせることに加えて、他のシステムにおいて適切な向きに光を導くためにミラーを用いるということは、保持液チャネルの達成可能な厚さを制限することになり、すなわち、保持液チャネルが薄くなればなるほど、用いられなければならないミラーは、ますます小さくなる。そのような小型のミラーは、製造して保持液フローチャネルの中に埋め込むことが、困難である。さらに、光は、膜表面に対して垂直な方向にある光経路を用いて、ミラーに向けられるため、表面対象物の可視性とコントラストとを低下させ得る迷光が存在する。迷光の問題は、より小さなミラーが用いられるときには、悪化する。小さなミラーを用いることは困難であるため、プラントで用いられるスパイラル状に巻かれた膜要素で典型的に用いられるフィードスペーサを収容することができる薄い保持液フローチャネル（たとえば、１ｍｍよりも薄いもの）を形成することは困難である。他のシステムは、全体が透明な保持液モジュールを用いることを試みてきたが、これらのシステムは、膜表面に対してハイアングルで又は垂直の向きに著しい迷光を生じさせることになり、よって、表面対象物の可視性及びコントラストを劣化している、という報告がなされてきている。これらの問題を克服するために、完全に透明な保持液ブロックは、迷光を最小化するために、光源の向きの面倒で細かな調節を必要とするために、設定時間が長くなり、保持液チャネルの表面と平行な照明をさらに達成困難にしている。本発明は、既に説明された導光版６０を使用することにより、完全に透明な保持液ブロックを用いるシステムと比較して有利であるが、その理由は、完全に透明な保持液ブロックの代わりに、本発明は、不透明な保持液モジュール支持ブロック６８と不透明な透過液モジュール支持ブロック７２との間で圧迫された薄い導光版６０を用いるためである。導光版６０は、図９に示されているように、ブロック６８とブロック７２との間に、これらのブロックの対向する両側でクランプ８４を用いて、挟まれている。クランプ８４は、クランプ８４と、保持液モジュール支持ブロック６８と、導光板６０と、透過液モジュール支持ブロック７０とに及ぶ、ボルトなどの取り付け部材により、相互に固定され得る。この取り付け部材すなわちボルトが、膜セル１０を固定する。クランプは、挟まれる要素を相互に保持するのに十分ないずれかの材料で、製造され得る。そのような材料は、数種の金属を、好ましくはアルミニウム又はスレンレス鋼を、含む。ボルトは、エッジライト導光板７２などのコンポーネントのうちの１つ又は複数におけるアパーチャを横断することによって、これら複数のコンポーネントを相互に固定する。図面に記載され示されている実施形態は、これらのコンポーネントが配列され得る１つの方法であり、本発明の精神を損なうことなく、他の配列を想定することが可能である。

[0053] セルアセンブリ
[0054] 一体化された膜表面監視セル１０の実施形態の一例が、ＭＳＭセル１０の断面展開図を示す図７ａ及び図７ｂに、示されている。この構成では、３つの別個のモジュールが、一体化され、１つの完全なユニットを形成している。ＭＳＭセル１０は、照明システム１８又は表面照明コンポーネント２０の位置決めに影響を与えることなく容易に取り外され置き換えられることが可能な取り外し可能なカセット８８として、構築されたユニットである。カセット８８は、クランプ８４と、クランプ８４の間に挟まれたＭＳＭセル１０のすべてのコンポーネントとを含む、任意の個数のコンポーネントを含み得る。

[0055] 画像及びスペクトル分析
[0056] 表面映像モジュール４４は、画像ストリーミング及び反射率スペクトルデータ取得モジュールであり得るが、膜監視システム２６と連動して、リアルタイムでの膜表面分析のためにウェブベースの映像化及び記憶プラットフォームと接続する。モジュール４４は、そのソフトウェアコンポーネントによって、直接的に制御されるが、このソフトウェアコンポーネントは、先進の画像及びスペクトル分析ソフトウェアを用いて、対象物の検出、認識、及び様々な表面メトリクスの数量化のために、高品質データを取得する。この画像及びスペクトル分析ソフトウェアは、図８に記載されているワークフローに従うのであるが、様々な表面特徴／メトリクスに基づいて膜表面のスケーリング９６及びファウリング９８を時間の関数として検出するために、一群のコンピュータビジョンアルゴリズム及び統計的方法を用いる。表面スケーリングの存在及びタイプを検出するのに用いられる特徴は、対象物のサイズ分布、形状、テクスチャ、（ピクセルレベルでの）強度、領域ごとの勾配、及び幾何学的形状（たとえば、円形度、凸状性、角検出を用いた形状識別）を含む。スケーリング検出のためには、（清浄な）膜９０の初期状態が、既知の特性に関する先に捕捉されたデータを用いて、訓練される。１組の領域的なヒューリスティックが、背景の統計モデルを評価するために、強度、局所的なピクセル近傍及び勾配に基づいて、このモジュールにおいて訓練される。訓練されたモデルは、次に、前景マスク９２を検出された変化として決定するために、その学習したヒューリスティックを用いて、ファウリング／スケーリングが生じた領域を、周期的に分割する。検出は、画像における不要なノイズを除去し接続の緩いコンポーネント９４を分離するために、ヒストグラム等化、画像オープニング、及び膨張などの複数のモーフォロジカルな及び正規化操作を用いて、さらに改善される。ストリーミングデータ取得及び分析モジュールは、ハードウェア及びソフトウェアの他のプロセス制御モジュールと一体化される。

[0057] （たとえば、図９に示されているような）ミネラルスケール９６と、（たとえば、微粒子、有機物、及びバイオファウラントなどの）様々なタイプの表面ファウリング９８との自動的な検出に加えて、ディープラーニングエンジンが、先進のパターン認識技術を用いたオンラインでの画像及びスペクトル分析のために、埋め込まれている。このエンジンは、学習可能なフィルタの大きなカスタマイズされた組を用いて訓練され、それらの信頼度スコア（すなわち、検出された対象物が特定のタイプ／クラスのファウラント／スケーラントに属する確率）と共に、注釈（対象物に対するラベル）を自動的に生成する能力を提供する。先進のコンピュータアルゴリズムを用いて表面ミネラルのスケール／ファウリングを時間の関数として数量化し対象物の特性を記憶する能力は、自動スケーリングされた時系列データベースシステムを用いて、達成される。上述の特性は、ローカルな及びリモートのデータ取得及び記憶モジュールの両方に記憶され、リアルタイムでの分析、決定的に重要なスケーリング／ファウリング閾値に到達するための自動化されたトリガ生成、及び動的なシステム報告生成が可能になる。スケール検出及びディープラーニングモジュールと協働して、上述した先進の特徴をサポートする先進のオンラインプラットフォームが、表面ファウリング／ミネラルスケーリングのリアルタイムでの監視と、それらのタイプ、サイズ、幾何学的形状、及び表面被覆率の程度の自動化された認識とを用いて、経験を強化するように実装される。上述した情報と動的な報告からのシステム仕様を用いて、判断サポートプロセスを、プロセス制御を最適化して膜プラントの動作パラメータを調節するため決定的に重要な行動を識別するために、用いることが可能である。

[0058] 以下の参照番号が、図１〜図９を通じて、用いられる。

１０ 膜表面監視（ＭＳＭ）セル
１２ コントローラ
１４ 入口ストリーム
１６ 膜
１７ 膜の第１の表面
１８ 表面照明コンポーネント
１９ 膜の第２の表面
２０ 撮像コンポーネント
２２ ＭＳＭセルの供給側
２３ ＭＳＭセルの保持液側
２４ 膜プラント／ユニット
２６ 膜表面監視システム
２８ プラント制御システム
３０ 高圧側ストリーム
３２ ポンプ
３４ ドレイン
３６ 濃縮液／保持液導管
３８ 膜プラントの主要弁
４０ チャネルフィードスペーサ
４２ 保持液チャネル
４４ 表面映像モジュール
４６ 保持液モジュール
４８ 透過液モジュール
５０ エッジ照明光源
５２ 入口導管
５４ 保持液出口導管
５６ 透過液収集部
５８ 透過液出口導管
６０ エッジライト導光板／保持液チャネル構造
６１ エッジライト導光板の側方エッジ
６２ 光源
６４ 透明なすなわち光学窓
６６ カメラ−レンズユニット
６８ 保持液モジュール支持ブロック
７０ 透過液モジュール支持ブロック
７２ 導光板アパーチャ
７４ 導光板のテーパ状表面
７６ シール
７８ 導光版インデント
８０ カメラ
８２ レンズ
８４ クランプ
８５ 膜の上の対象物
８６ エッジライト導光板アパーチャ
８８ カセット
９０ 背景フレーム／清浄膜
９２ 前景フレーム／マスク
９４ 認識された対象物／緩やかに接続されたコンポーネント
９６ スケーリング
９８ ファウリング
１００ 外部データ通信
１０６ 信号回線
１０８ 出口導管
ＦＴ−１ 第１の流量計／トランスミッタ
ＦＴ−２ 第２の流量計／トランスミッタ
ＣＶ 制御弁
ＰＴ−１ 第１の圧力トランスミッタ
ＣＴ−１ 第１の導電率計／トランスミッタ
ＣＴ−２ 第２の導電率計／トランスミッタ
ＳＰ−１ サンプリングポイント１
ＳＰ−２ サンプリングポイント２
Ｆ フィード
Ｐ 透過液
Ｃ 濃縮液ストリーム

[00123] 本発明が、例示的な実施形態という観点から説明されたが、用いられてきた言語は説明の言語であって限定の言語ではない、ということが理解されるべきである。当業者によって理解されるように、以下の請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正が行われ得るが、行われた様々な修正には、それらの最も完全で公平な範囲が与えられるべきである。

Claims (20)

1. 膜のスケーリング、微粒子ファウリング、有機物、及びバイオファウリングを監視するのに用いるための、フィードストリームを受け取り、濃縮液ストリームを放出する膜表面監視セルであって、
   ａ）活性フィード側に第１の表面を有する視覚的に観察可能な膜と、
   ｂ）保持液チャネルを形成し、加圧された流体を前記保持液チャネルにおいて分離するように動作可能なアパーチャを有するエッジライト導光板であって、前記視覚的に観察可能な膜は、前記エッジライト導光板に隣接するように位置決めされ、前記アパーチャに重なっており、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面を照明するために、透明な又は半透明な材料で構成されていることにより、観察者が、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面におけるスケーリング、微粒子、及びバイオファウリングを見ることが可能である、エッジライト導光板と、
   ｃ）前記エッジライト導光板に固定されており、前記エッジライト導光板を照明することにより、前記視覚的に観察可能な膜と実質的に平行に照明を提供するように動作可能な、エッジ照明光源と、
   ｄ）保持液モジュールであって、
   （ｉ）保持液モジュール支持ブロックと、
   （ｉｉ）前記保持液モジュールブロックの内部にあり、前記視覚的に観察可能な膜を見るための光学窓と、
   （ｉｉｉ）前記膜表面監視セルの中へのフィード取り入れストリームのための入口導管と、
   （ｉｖ）液体濃縮ストリームの出口のための出口導管と、を有する保持液モジュールと、
   ｅ）透過液モジュールであって、
   （ｉ）透過液モジュール支持ブロックと、
   （ｉｉ）前記エッジライト導光板の前記アパーチャと前記視覚的に観察可能な膜とを通過した透過液を受け取る透過液コレクタと、
   （ｉｉｉ）透過液を前記透過液モジュールから離れる方に導くための透過液出口導管と、を有する透過液モジュールと、を備え、
   前記エッジライト導光板は、前記膜表面監視セルがその動作可能な構成にあるときには、前記保持液モジュールと前記透過液モジュールとの間に位置決めされる、膜表面監視セル。
2. 前記視覚的に観察可能な膜が、前記第１の表面と対向する第２の表面を有しており、前記第２の表面は、前記活性フィード側と対向して透過液側を形成しており、さらに、
   ａ）前記視覚的に観察可能な膜の前記第２の表面に隣接して多孔性の膜サポートと、
   ｂ）前記エッジライト導光板のアパーチャの間にあり、前記保持液チャネルの所定のサイズを収容するサイズを有するフィードスペーサと、
   ｃ）（ｉ）前記光学窓及び前記保持液モジュールと、（ｉｉ）前記保持液モジュール支持ブロック及び前記エッジライト導光板と、（ｉｉｉ）前記エッジライト導光板及び前記透過液モジュール支持ブロックとのうちの少なくとも２つの間に位置決めされた複数の密封部材と、を備える、請求項１に記載の膜表面監視セル。
3. 前記保持液モジュールと前記透過液モジュールとが不透明であることにより、迷光に起因する画像の乱れを最小化する、請求項１に記載の膜表面監視セル。
4. クランプであって、前記保持液モジュールと、エッジライト導光板と、前記透過液モジュールとを前記クランプの間に固定するためのクランプをさらに備えることにより、膜表面監視セルの密封を向上させ高圧での漏れを最小化する、請求項１に記載の膜表面監視セル。
5. 前記エッジライト導光板が前記保持液チャネルに沿ってテーパ状の表面を有することにより、前記入口導管と出口導管とのそれぞれの侵入−排出領域の近傍におけるフローの乱れを最小化する、請求項１に記載の膜表面監視セル。
6. 前記光源が、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面と実質的に平行な方向に沿って光を向けるように構成されている、請求項１に記載の膜表面監視セル。
7. 前記入口導管と前記出口導管とが、前記保持液モジュール支持ブロックと前記透過液モジュール支持ブロックとのそれぞれと一体化されている、請求項１に記載の膜表面監視セル。
8. 前記保持液モジュールの前記入口導管と前記出口導管とが、前記光学窓と実質的に垂直であることによって、撮像システムを膜表面監視システムの上方に容易に取り付けることを可能にする、請求項１に記載の膜表面監視セル。
9. 前記エッジ照明光源が、前記エッジライト導光板の側方エッジに沿って固定されていることにより、前記保持液ブロックの上方に位置決めされた撮像システムを、前記光学窓に入り前記視覚的に観察可能な膜を過剰露出させる最小限の迷光から分離させる、請求項８に記載の膜表面監視セル。
10. 膜のスケーリング、微粒子ファウリング、有機物、及びバイオファウリングを監視するための、フィードストリームを受け取り、濃縮液ストリームを放出する膜表面監視システムであって、
    ａ）膜表面監視セルであって、
    （ｉ）活性フィード側に第１の表面を有する視覚的に観察可能な膜と、
    （ｉｉ）保持液チャネルを形成し、加圧された流体を前記保持液チャネルにおいて分離するように動作可能なアパーチャを有するエッジライト導光板であって、前記視覚的に観察可能な膜は、前記エッジライト導光板に隣接するように位置決めされ、前記アパーチャに重なっており、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面を照明するために、透明な又は半透明な材料で構成されていることにより、観察者が、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面におけるスケーリング、微粒子、及びバイオファウリングを見ることが可能である、エッジライト導光板と、
    （ｉｉｉ）前記エッジライト導光板に固定されており、前記エッジライト導光板を照明することにより、前記視覚的に観察可能な膜と実質的に平行に照明を提供するように動作可能な、エッジ照明光源と、
    （ｉｖ）保持液モジュールであって、
    （１）保持液モジュール支持ブロックと、
    （２）前記保持液モジュールブロックの内部にあり、前記視覚的に観察可能な膜を見るための光学窓と、
    （３）前記膜表面監視セルの中へのフィード取り入れストリームのための入口導管と、
    （４）液体濃縮ストリームの出口のための出口導管と、を有する保持液モジュールと、
    （ｖ）透過液モジュールであって、
    （１）透過液モジュール支持ブロックと、
    （２）前記エッジライト導光板の前記アパーチャと前記視覚的に観察可能な膜とを通過した透過液を受け取る透過液コレクタと、
    （３）透過液を前記透過液モジュールから離れる方に導くための透過液出口導管と、
    を有する透過液モジュールと、を備え、
    前記エッジライト導光板は、前記膜表面監視セルがその動作可能な構成にあるときには、前記保持液モジュールと前記透過液モジュールとの間に位置決めされる、膜表面監視セルと、
    ｂ）撮像システムであって、
    （ｉ）前記視覚的に観察可能な膜の前記表面の画像と反射率スペクトルのうちの少なくとも一方を捕捉し、
    （ｉｉ）前記画像と前記スペクトルのうちの前記捕捉された少なくとも一方を示す画像データ信号とスペクトル撮像データ信号のうちの少なくとも一方を生成するように動作可能であるように、前記監視システムとの関係で構成され配置された、撮像システムと、
    ｃ）前記撮像システムに動作的にリンクされており、前記撮像システムから前記画像データ信号を受け取るデータ処理システムであって、前記画像データ信号を分析して、前記視覚的に観察可能な膜におけるスケーリング、微粒子ファウリング及びバイオファウリングのうちの少なくとも１つの程度の指示を提供するように動作可能である、データ処理システムと、
    ｄ）照明と、画像捕捉及びスペクトル捕捉と画像データ管理と画像分析と外部データ通信とのうちの少なくとも１つと、入口流率とを制御し、活性フィードにおける圧力が近似的に監視されている膜プラント要素又はプラント部分の圧力となるように制御するように動作可能なコントローラと、を備える、膜表面監視システム。
11. ａ）前記膜表面監視セルから出る保持液ストリームに設けられた保持液流量計と、
    ｂ）前記膜表面監視セルから出る前記保持液ストリームに設けられた保持液フロー制御弁と、をさらに備え、
    前記保持液流量計と前記保持液フロー制御弁とは、前記コントローラに動作的に接続されており、前記コントローラは、保持液流率へのフィードバック制御入力を提供し、前記保持液流量計によって測定された所定の流率測定値に基づき制御弁アクチュエータを操作し、前記保持液流量計がデータを前記コントローラに送信した、請求項１０に記載のシステム。
12. ａ）前記保持液ストリームに設けられた導電率計と、
    ｂ）前記保持液ストリームに設けられた温度センサと、
    ｃ）透過液ストリームに設けられた流量計と、
    ｄ）入口ストリームに設けられた圧力センサと、のうちの少なくとも１つをさらに備え、
    前記導電率計と、前記温度センサと、前記透過液ストリームに設けられた流量計と、前記入口ストリームに設けられた前記圧力センサとは、前記コントロールに動作的に接続されており、データを前記コントローラに送信し、
    よって、前記導電率計と、前記温度センサと、前記透過液ストリームに設けられた流量計と、前記入口ストリームに設けられた前記圧力計とからの前記データが、濃度分極レベルと、前記膜システムの監視セルの水透過性及び脱塩率などの膜性能とを特徴付ける、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記膜表面監視セルが、取り外し可能なカセットとして特徴付けられており、よって、前記取り外し可能なカセットが、前記撮像システムの位置を変更しなければならないことなく、前記膜表面監視システムに挿入されること、及び、前記膜表面監視システムから取り外されることが可能である、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記撮像システムが、ＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラを含み、ＵＶ、可視光、赤外光、及び近赤外光の波長を検出できるように構成され、前記保持液モジュールの上方に位置決めされ、前記ＣＣＤ又は前記ＣＭＯＳカメラのレンズが、前記視覚的に観察可能な膜からのデータを捕捉するために前記光学窓の上方に位置決めされており、
    よって、前記膜監視システムが、スケール被覆率の進行、ファウリング、ファウラントのクラスの識別及びスケーラントのクラスの識別などの数量的メトリクスの範囲を提供するために、前記視覚的に観察可能な膜のリアルタイムでの表面画像とリアルタイムでの撮像スペクトルのうちの少なくとも一方を提供して、前記膜プラントの動作期間にわたるファウリング及びスケーラントの差異を確立することが可能であり、
    よって、前記ファウリング又は前記ミネラルのメトリクスと関係するデジタル又はアナログ信号の数量的な出力が、膜のファウリング及びスケーリングを緩和するための適切な戦略を確立するときに、プラントオペレータを導くのに用いられることが可能になる、請求項１０に記載の膜表面監視システム。
15. ａ）前記データ処理システムが、（ｉ）スケールと、（ｉｉ）ファウラントと、（ｉｉｉ）堆積した微粒子とのうちの少なくとも１つの前記視覚的に観察可能な膜の表面積の百分率及び密度を決定するように構成されており、
    ｂ）前記データ処理システムが、スペクトル分析及びパターン認識の使用を通じて、（ｉ）幾何学的形状及びサイズの分析と、（ｉｉ）前記画像処理システムによる画像捕捉のスペクトル分析のうちの少なくとも一方に基づき、前記視覚的に観察可能な膜の前記表面におけるミネラルスケーラントのタイプとファウラントのタイプとを識別するように構成されている、請求項１４に記載の膜監視システム。
16. 前記画像と前記スペクトルのうちの前記少なくとも一方が、前記視覚的に観察可能な膜の前記表面の前記画像とスペクトルとの両方であり、前記画像データ信号と前記スペクトル撮像データ信号のうちの前記少なくとも一方が、前記画像データ信号と前記スペクトル撮像データ信号との両方である、請求項１０に記載のシステム。
17. 膜のスケーリング及びファウリングを監視するための方法であって、
    ａ）膜表面監視セルであって、
    ｉ）活性フィード側に第１の表面を有する視覚的に観察可能な膜と、
    ｉｉ）保持液チャネルを形成し、加圧された流体を前記保持液チャネルにおいて分離するように動作可能なアパーチャを有するエッジライト導光板であって、前記視覚的に観察可能な膜は、前記エッジライト導光板に隣接するように位置決めされ、前記アパーチャに重なっており、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面を照明するために、透明な又は半透明な材料で構成されていることにより、観察者が、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面におけるスケーリング、微粒子、及びバイオファウリングを見ることが可能である、エッジライト導光板と、
    ｉｉｉ）前記エッジライト導光板に固定されており、前記エッジライト導光板を照明することにより、前記視覚的に観察可能な膜と実質的に平行に照明を提供するように動作可能な、エッジ照明光源と、
    ｉｖ）保持液モジュールであって、
    （１）保持液モジュール支持ブロックと、
    （２）前記保持液モジュールブロックの内部にあり、前記視覚的に観察可能な膜を見るための光学窓と、
    （３）前記膜表面監視セルの中へのフィード取り入れストリームのための入口導管と、
    （４）液体濃縮ストリームの出口のための出口導管と、を有する保持液モジュールと、
    ｖ）透過液モジュールであって、
    （１）透過液モジュール支持ブロックと、
    （２）前記エッジライト導光板の前記アパーチャと前記視覚的に観察可能な膜とを通過した透過液を受け取る透過液コレクタと、
    （３）透過液を前記透過液モジュールから離れる方に導くための透過液出口導管と、を有する透過液モジュールと、を備え、
    前記エッジライト導光板は、前記膜表面監視セルがその動作可能な構成にあるときには、前記保持液モジュールと前記透過液モジュールとの間に位置決めされる、膜表面監視セルを提供することと、
    ｂ）取り入れストリームを、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面を横断して通過させることと、
    ｃ）前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面の照明された部分から、視覚データを収集することであって、前記収集されるデータは、前記視覚的に観察可能な膜の前記第１の表面におけるスケーリング及びファウリングの存在及び程度を示す、収集することと、
    ｄ）前記収集された視覚データを、データ処理システムに運ぶことと、
    ｅ）前記視覚的に観察可能な膜と濾過ユニットの膜とにおけるスケーリング及びファウリングの程度を判断するために、前記データ処理システムを用いて、前記収集された視覚データを解釈することと、を含む方法。
18. 前記視覚的に観察可能な膜におけるスケーリング又はファウリングの前記程度に応答して、前記濾過ユニットを制御するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記収集された視覚データを解釈する前記ステップが、前記視覚的に観察可能な膜の前記表面のリアルタイム画像と表面撮像スペクトルとを表示することと、前記収集された視覚データを前記濾過ユニットの前記膜のスケーリング又はファウリング条件と相関させることとのうちの少なくとも一方を含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記収集されたデータを解釈することが、対象物のサイズ分布、対象物の形状、対象物のテクスチャ、対象物の表面密度及び反射され捕捉された光スペクトル、対象物の領域ごとの勾配、並びに対象物の幾何学的形状を分析することとして特徴付けられる反復的プロセスであり、
    前記収集されたデータを解釈することが、
    前記視覚的に観察可能な膜の背景フレームを読み取るステップと、
    前記視覚的に観察可能な膜の前景フレームを読み取るステップと、
    前記背景フレーム及び前景フレームのヒストグラムを一致させるステップと、
    背景フレーム情報を前景フレーム情報から減算するステップと、
    モーフォロジカルな動作と対象物の検出メトリクスとを用いて、前記視覚的に観察可能な膜の対象物認識を出力するステップと、を含む、請求項１７に記載の方法。

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