JP7161280B2 - Ｒｏ膜の洗浄管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＯ膜の洗浄管理方法に関する。

近年、上下水道や廃水処理等の水処理用途において、原水中の不純物を分離除去して清澄な水に変換する膜ろ過法の普及が進んでいる。特に逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いる場合、膜の除去対象物質としては、溶解性有機物、ウイルス、イオン物質等が挙げられる。

このようなＲＯ膜は、継続して濾過操作を行っていると、目詰まり等により次第に濾過能力が低下してくる。この能力低下はフラックス低下として現れる。通常フラックスが低下すると、そのＲＯ膜を洗浄して濾過能力を回復させることにより再利用される（たとえば特許文献１参照）。

特開昭５８－００８５０２号公報

そのため、ＲＯ膜を洗浄する時期を適切に設定することは非常に重要になる。たとえば、ＲＯ膜を、限度を超えて濾過能力の低下した状態にまで放置すると洗浄して濾過能力を回復するのに非常に労力がかかるとともに、再生処理に要する洗浄剤等が増加するなど多大なコストを要する場合がある。一方、濾過能力がまだ高い時期に繰り返し洗浄すると、一回の洗浄あたりに要するコストは少なく維持できたとしても、その回数が多くなってやはり再生コストが嵩む。また、ＲＯ膜を過剰に薬品に晒すことで、ＲＯ膜の耐久性を大きく低下させることになるため、ＲＯ膜の寿命が短くなるという問題がある。

そこで、一般にＲＯ膜は、「フラックスがある程度低下すれば洗浄する」か「所定の期間濾過操作を行えば洗浄する」かのいずれかの洗浄基準により洗浄されている。

しかし、「フラックスがある程度低下すれば洗浄する」の洗浄基準を採用した場合であっても、フラックスはあまり低下していないが、ＲＯ膜の濾過能力は大きく低下している場合や、濾過能力はあまり低下していないのにフラックスが大きく低下して洗浄を行ってしまうような場合があり、ＲＯ膜の再生処理が効果的に行えない状況が見出されていた。

したがって、本発明は上記実状に鑑み、ＲＯ膜を洗浄する時期をより一層適切に設定できるＲＯ膜の洗浄管理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のＲＯ膜の洗浄管理方法の特徴構成は、
ＲＯ膜のフラックスに基づき、前記ＲＯ膜を洗浄する洗浄時期を決定するＲＯ膜の洗浄管理方法であって、
下記の換算式により、前記ＲＯ膜を透過する被透過水の前記ＲＯ膜の一次側での圧力であって被透過水を加圧するポンプ圧力を測定した測定圧力を、前記ＲＯ膜を透過させる被透過水の前記ＲＯ膜の一次側での電気伝導度に基づいて補正して補正フラックスを求め、前記ＲＯ膜のフラックスとし、前記補正フラックスが閾値以下になった時を洗浄時期と判定する点にある。
（換算式）
Ｆ０＝Ｑ÷Ｓ×Ｐ２÷（Ｐ１－Ａ×Ｅ）×（Ｔ１÷Ｔ２）
但し、
Ｆ０ ：補正フラックス（Ｌ／ｍ^２・ｈ）
Ｑ ：測定透過流量（Ｌ／ｈ）
Ｓ ：膜面積（ｍ^２）
Ｐ１ ：測定圧力（ＭＰａ）
Ｐ２ ：基準圧力（ＭＰａ）
Ａ ：計測データを回帰演算処理により一次近似した傾き係数
Ｅ ：被透過水の電気伝導度（μＳ／ｃｍ）
Ｔ１ ：被透過水の測定温度の温度補正係数
Ｔ２ ：被透過水の基準温度の温度補正係数

ＲＯ膜のフラックスを測定する場合、様々な要因によってフラックスが高く測定されたり低く測定されたりする場合があることを経験的に見出した。この要因の一つとして被透過水の温度が挙げられるが、本発明者らは、温度以外の要因でフラックスの測定値が大きく変動する可能性があることを経験的に見出し、鋭意研究の結果、その要因の一つとして、被透過水の電気伝導度が大きく影響していることを突き止めた。本発明は、この新知見に基づきなされたものである。

すなわち、上記の換算式により、ＲＯ膜を透過する被透過水のＲＯ膜の一次側での圧力であって被透過水を加圧するポンプ圧力を測定した測定圧力を、ＲＯ膜を透過させる被透過水のＲＯ膜の一次側での電気伝導度に基づいて補正して補正フラックスを求め、ＲＯ膜を洗浄する洗浄時期と決定するわけであるから、被透過水の電気伝導度が異なる場合であっても同じ基準でＲＯ膜の洗浄時期を決定することができ、適切なＲＯ膜運用が可能となる。
すなわち、本発明者らは、フラックスを単にＱ／Ｓとして求めるのではなく、圧力補正（Ｐ２／Ｐ１の項）、温度補正（Ｔ１／Ｔ２の項）を加味した補正フラックスとして求め、かつ、圧力補正の際に被透過水の電気伝導度による補正（Ｐ１－ＡＥの項）をさらに加味することにより、補正フラックスを洗浄時期の正確な判定を行うために利用できることを、多数のデータを統計的に解析することにより明らかにし、上記換算式に到達した。
なお、傾き係数は、今般発明者らが統計的に見出した定数であって、電気伝導度の圧力に対する寄与率に相当するものである。この値は、染色工程排水である場合にＡ＝０．００００７～０．０００１４であることがわかっている。この数値は、統計処理手法により幅を持つものであるが、データを単純に回帰演算処理により一次近似した傾き係数を根拠とする。
また、このような場合に行う温度補正の理論はＪＩＳ Ｋ ３８０５（１９９０）及びＪＩＳ Ｋ ３８０２（２０１５）膜用語番号１０９６補正透過流速、補正フラックスに解説されるように知られており、具体的には、図３に示す温度補正係数表を用いて補正することができる。
なお、温度補正係数表は、水の粘度をＪＩＳ Ｚ ８８０３（２０１１）に解説されている方法で求め、得られた水の粘度の２５℃の値を１．０とした２５℃換算値を求めた。
上記換算式により補正された補正フラックスは、基準圧力、基準温度における標準的な被透過水を透過する場合のフラックスとして規格化したものとなっているから、測定されるフラックスを上記補正フラックスに変換して、この補正フラックスが閾値以下になった時に、洗浄時期と判断することにより、ＲＯ膜の汚れとは無関係にフラックスを変動させる要因を排除して洗浄時期を判定できることになるから、より適切なＲＯ膜運用が可能となる。

また、前記補正フラックスは、さらに被透過水の温度に基づき前記換算式により所定温度の補正フラックスとして換算された値として用いることができる。

このように電気伝導度と温度の２つのパラメータを規格化した補正フラックスを用いると、より一層フラックスの洗浄基準を厳密に管理できるようになり、より適切なＲＯ膜運用が可能となる。この温度による補正は、ＲＯ膜の使用環境が、温度管理された状態で被透過水を得るものであるような場合には、不用な場合も考えられるが、実際のＲＯ膜使用環境下では、被透過水の温度は周囲環境に応じて大きく変動するものであるから、適用する意義は大きい。

また、前記閾値が未使用のＲＯ膜のフラックスの６７％よりも高く設定されることが好ましい。

ＲＯ膜は、未使用のＲＯ膜に比べて大きく濾過性能が低下した場合、洗浄しても元の濾過性能にまで復元しなくなる場合がある。そのため、閾値として未使用のＲＯ膜のフラックスの６７％（いわゆるフラックス保持率として６７％）よりも高く設定してあれば、洗浄により十分濾過性能が復元する環境を維持した状態でＲＯ膜を継続使用できるので、より適切なＲＯ膜運用が可能となる。

なお、被透過水が染色工程排水である場合、前記傾き係数Ａは、実測データを一次近似して求められる値として、０．００００７とすることができ、これにより、染色工程排水の膜ろ過による透過水の水質管理をより適切に行える。

したがって、ＲＯ膜を洗浄する時期をより一層適切に設定でき、ＲＯ膜を、性能を高く維持して長期使用できるようになった。

ＲＯ膜における被透過水の電気伝導度と濾過圧の関係を示す図 ＲＯ膜の洗浄効果を示す図 温度補正係数表の一例を示す図

以下に、本発明のＲＯ膜の洗浄管理方法を説明する。尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。

本発明の実施形態にかかるＲＯ膜の洗浄管理方法は、ＲＯ膜を透過する被透過水の測定圧力を、ＲＯ膜を透過させる被透過水の電気伝導度に基づいて補正し、被透過水の温度により所定温度のフラックスとして換算して求めた補正フラックスを、ＲＯ膜のフラックスとして求め、補正フラックスが閾値以下になった時を洗浄時期と判定するものである。

より具体的には、閾値として未使用のＲＯ膜のフラックスの７０％以下になると、ＲＯ膜の洗浄を行うように運用する。これは、ＲＯ膜のフラックスは６７％よりも低くなると、十分に洗浄したとしても、未使用時の９０％以上程度の高いフラックスを復元することが困難になることが多く、６７％を下回らないような運用ができれば、洗浄により十分濾過性能が復元する環境を維持した状態でＲＯ膜を継続使用できることによる。

さらに具体的には、補正フラックスを求める換算式としては、下記のものを用いる。

（換算式）
Ｆ０＝Ｑ÷Ｓ×Ｐ２÷（Ｐ１－Ａ×Ｅ）×（Ｔ１÷Ｔ２）
但し、
Ｆ０ ：補正フラックス（Ｌ／ｍ^２・ｈ）
Ｑ ：測定透過流量（Ｌ／ｈ）
Ｓ ：膜面積（ｍ^２）
Ｐ１ ：測定圧力（ＭＰａ）
Ｐ２ ：基準圧力（ＭＰａ）
Ａ ：傾き係数 ０．００００７～０．０００１４
Ｅ ：被透過水の電気伝導度（μＳ／ｃｍ）
Ｔ１ ：測定温度の温度補正係数
Ｔ２ ：基準温度の温度補正係数
温度補正係数は、代表的には、１．５５ＭＰａにおける２５℃に対する温度補正係数を、前述の図３の値より適用することができる。

このような換算式を用いることによって、補正フラックスを用いて洗浄時期を正確に判定できる。ここで、Ａの傾き係数は被透過水の水質によって決まる電気伝導度の圧力に対する寄与率に相当する数値であって、本発明者らは膨大なデータより統計的に解析したものであり、Ａ＝０．００００７～０．０００１４の値を有する定数である。この換算式の導出方法について以下に説明する。

〔換算式の求め方〕
（１）ＲＯ膜における被透過水の電気伝導度と濾過圧の関係の求め方
実際装置のＲＯ膜の被透過水の電気伝導度とその際の測定圧力から、相関関係の傾きを得る。

被透過水の透過圧（ＲＯ膜に付与していたポンプ圧力）と電気伝導度（ＲＯ膜が濾過していた）との間には高い相関性があり、一次近似式で代表できることが読み取れる。この一次近似式の傾きが判れば透過圧の測定値を基準温度、圧力下の透過圧に規格化したうえで比較検討できるものと考えられる。そこで、実際に図１より一次近似式の傾きＡを求めた。その結果、Ａ＝０．００００７となり、測定圧力Ｐ１をＰ１－ＡＥとして補正することにより、被透過水の電気伝導度が０の場合の圧力を求めたことになる。すなわち、前記ＲＯ膜を透過する被透過水の測定圧力を、前記ＲＯ膜を透過させる被透過水の電気伝導度に基づいて補正できた。

従って、フラックスは、Ｆ０：補正フラックス（Ｌ／ｍ^２・ｈ）、Ｑ：透過流量（Ｌ／ｈ）として、Ｆ０／Ｑで求められ、
測定圧力を、基準圧力／測定圧力（Ｐ２／Ｐ１）として換算し、測定温度を、測定温度の温度補正係数／基準温度の温度補正係数（Ｔ１／Ｔ２）として換算することにより規格化することができるから結果として補正フラックスＦ０は、上記の通り、
Ｆ０＝Ｑ÷Ｓ×Ｐ２÷（Ｐ１－Ａ×Ｅ）×（Ｔ１÷Ｔ２）
より具体的には、
Ｆ０＝Ｑ÷Ｓ×１．５５÷（Ｐ１－０．００００７×Ｅ）×（Ｔ１）
（Ｓ，Ｅは、それぞれＲＯ膜、排水に基づき求められる膜面積、電気伝導度。）
として求められることが分かった。

（２）ＲＯ膜の洗浄効果の求め方
ＲＯ膜として実際運転と同じ仕様の物を使用し、実際に排出される染色工程排水を用いて検証した。ＲＯ膜が、フラックスの低下により洗浄が必要であると、人が判断した時のＲＯ膜状態をＲＯ平膜試験方法（ＪＩＳ Ｋ ３８０５（１９９０））に準じた試験により求め、種々のパラメータについて記録し解析を行った。なお、排水はいずれも染色工程排水であるが、使用環境によりその排水に含まれる成分濃度が異なり、電気伝導度等にもばらつきが生じるものである。

円形にカットしたＲＯ膜（有効直径１６０ｍｍ）をフランジ型加圧容器にセットし、精製水でパージ後、食塩水（１５００ｍｇ／Ｌ）を透過させ、透過水圧（ポンプ圧力）、透過水が１５０ｍＬ得られるまでの透過時間、食塩水の液温、及び電気伝導度、を記録した。さらに精製水でパージして、ＲＯ膜の初期フラックスを求めた。

次に、ＲＯ膜を被透過水に所定時間浸漬し、模擬的に使用済みの状態のＲＯ膜を作成した。
被透過水としては、染色工程排水１Ｌを採取し、ｐＨ調整（ｐＨ７．０～８．０）及びＳＳ除去（ＵＦ膜処理）を行ったものを用いた。この被透過水の液温及び電気伝導度を記録した。
このＲＯ膜を、精製水ですすぎ、再度フランジ型加圧容器にセットし、初期フラックスの測定と同様にして使用済み状態のフラックス（フラックス保持率）を求めた。

試験後のＲＯ膜を既定の洗浄方法にて薬品洗浄した後のフラックス保持率をさらに求め、洗浄前後のフラックス保持率に基づいて洗浄効果を比較した。図２（ａ）に示すように、補正フラックスに基づいて洗浄管理を行うと、洗浄前のフラックス保持率（横軸）が６７％以上であったＲＯ膜は、既定の洗浄方法にて９０％以上のフラックス保持率に復帰するのに対して、６７％以下であったものは既定の洗浄方法によっては９０％以上のフラックス保持率に復帰させることができず、大きく性能が低下してしまうことが明らかになった。そのため、洗浄前（使用後）の補正フラックスが７０％以下に設定される閾値以上程度で洗浄時期と判断することにより、ＲＯ膜の性能を高く維持可能な洗浄管理を行えることがわかる。
なお、補正前のフラックスに基づいて洗浄管理を行った場合、図２（ｂ）のようになり、洗浄前のフラックス保持率が７０％程度まで高い状態で洗浄を行わないと、洗浄後に９０％以上のフラックス保持率に復帰させられない。
そのため、従来フラックス保持率７５～９０％程度で洗浄を行っていたのを、フラックス保持率６７％程度まで使用して洗浄すればよいことになったので、洗浄頻度が７日毎であったものを１０～１４日毎にまで低減することができるようになり、ＲＯ膜の使用効率が大きく向上することが分かった。

また、補正前のフラックスに基づいて洗浄管理を行う場合、データのばらつきが多く、洗浄後に性能低下と判断されるサンプルの割合が非常に多くなることが読み取れる。
なお、図２においてプロットに用いた記号の相違は、使用したＲＯ膜と被透過水との組み合わせの相違に基づくものである。

洗浄方法としては、フラッシングや、薬品による循環や浸漬によるなどの周知の方法を採用することができ、薬品洗浄を行うための洗浄薬品として、ファウリング物質が有機物（スライム）である場合、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ洗浄が効果的であり、無機物（スケール）である場合、硫酸、塩酸、クエン酸、等の酸による洗浄が効果的である。これらの洗浄だけでは回復が不十分な場合にはウルトラジール（エコラボ社製）での洗浄が有効なことがある。

本発明のＲＯ膜の洗浄管理方法によると、ＲＯ膜を洗浄する時期をより一層適切に設定でき、ＲＯ膜を、高い性能を維持して長期使用できる。

Claims (3)

1. ＲＯ膜のフラックスに基づき、前記ＲＯ膜を洗浄する洗浄時期を決定するＲＯ膜の洗浄管理方法であって、
   下記の換算式により、前記ＲＯ膜を透過する被透過水の前記ＲＯ膜の一次側での圧力であって被透過水を加圧するポンプ圧力を測定した測定圧力を、前記ＲＯ膜を透過させる被透過水の前記ＲＯ膜の一次側での電気伝導度に基づいて補正して補正フラックスを求め、前記ＲＯ膜のフラックスとし、前記補正フラックスが閾値以下になった時を洗浄時期と判定するＲＯ膜の洗浄管理方法。
   （換算式）
   Ｆ０＝Ｑ÷Ｓ×Ｐ２÷（Ｐ１－Ａ×Ｅ）×（Ｔ１÷Ｔ２）
   但し、
   Ｆ０ ：補正フラックス（Ｌ／ｍ^２・ｈ）
   Ｑ ：測定透過流量（Ｌ／ｈ）
   Ｓ ：膜面積（ｍ^２）
   Ｐ１ ：測定圧力（ＭＰａ）
   Ｐ２ ：基準圧力（ＭＰａ）
   Ａ ：計測データを回帰演算処理により一次近似した傾き係数
   Ｅ ：被透過水の電気伝導度（μＳ／ｃｍ）
   Ｔ１ ：被透過水の測定温度の温度補正係数
   Ｔ２ ：被透過水の基準温度の温度補正係数
2. 前記補正フラックスは、さらに被透過水の温度に基づき前記換算式により所定温度の補正フラックスとして換算された値である請求項１に記載のＲＯ膜の洗浄管理方法。
3. 前記閾値が未使用のＲＯ膜のフラックスの６７％よりも高く設定されている請求項１または２に記載のＲＯ膜の洗浄管理方法。

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