JPH02265628A - 膜分離方法 - Google Patents

膜分離方法

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JPH02265628A JP8652689A JP8652689A JPH02265628A JP H02265628 A JPH02265628 A JP H02265628A JP 8652689 A JP8652689 A JP 8652689A JP 8652689 A JP8652689 A JP 8652689A JP H02265628 A JPH02265628 A JP H02265628A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は膜分離方法に係り、特に凝集剤を添加した原水
を膜分ll!処理するにあたり、高い水運過速度を維持
して効率的な膜分離処理を行なうことを可能とする膜分
離方法に関する。
[従来の技術] 超純水は半導体製造工種において必要不可欠なものであ
り、半導体の洗浄水として多量に用いられている。しか
して、このような超純水の製造等の造水プロセスとして
、従来より、半透膜を用いて水中の溶存物質を除去する
膜分離法が広く採用されている。
超純水の製造に用いられる膜分離装置の性能としては、
原水中の溶存物質の除去性能だけではなく、その水運過
速度が高いことが要求される。即ち、所定量の純水を製
造するにあたり、膜分離装置の水運過速度が小さければ
、多大な膜面積を必要とすることとなり、結果的に遣水
コストが高騰する。
ところで、一般に造本に適用する膜分離装置においては
、原水中に共存している懸濁性物質やコロイド性物質の
みならず、溶存性有機物等が分離膜面上に蓄積し、水運
過速度が低下するようになる。
従来の膜分離法における最大の問題は、このように膜面
上にゲル状物質が蓄積し、膜面上に濾過比抵抗の大きな
ゲル状物質が次第に強固に蓄積して、水運過速度が低下
することである。この現象は超純水の製造のように比較
的汚染の少ない原水を用いる場合にも、程度の差はあれ
、避けることのできない問題であった。
一般に、半透膜のうちUP膜などのように比較的大きい
孔がおいているとされる膜でさえも、その表面開孔率は
数パーセント以下であるといわれている。この膜面上に
濾過比抵抗の大きい層が上乗せされれば、この層の表面
から、この層を通って半透膜の孔に達するまでの距離が
増加するために未透過速度は著しく低下する。
このため、従来においては、原水中より懸濁物質等を除
去する前処理が行なわれており、多くの場合、凝集沈殿
砂濾過、精密濾過等の処理単位操作を組み合わせた前処
理が施されている。しかしながら、これらの前処理法は
、煩雑な操作を要する上に、多大な敷地面積を必要とす
る。しかも、このような前処理を施した場合においても
、膜面への汚染物の蓄積を完全に防止することはできず
、定期的に膜面を薬品洗浄するなどの処理が必要とされ
ていた。
このような問題を解決するものとして、晶析媒体等を原
水に添加する方法が知ら、れているが、このような方法
によっても、長期間通水を行なった場合には、晶析物や
凝集物が膜面に付着して膜面を汚染し、結果的に未透過
速度が低下するという問題が残されでいた。
なお、コロイド成分を除去するために、An塩、Fe塩
、Mg塩等の無機凝集剤を添加して凝集処理した原水を
直接膜分離装置に通水して膜分離する方法が知られてい
る。
また、膜分離装置を定期的に背圧洗浄して分離膜に蓄積
したゲル層を除去することにより、未透過速度を回復さ
せることも知られている。
[発明が解決しようとする課題] 凝集処理した原水を膜分離装置に通水した場合において
もコロイド粒子の影響を完全に除外することはできない
、また、凝集により生じたフロックが膜面に付着して圧
密化されることにより、未透過速度が経時的に低下する
という問題もあった。
即ち、水処理の分野で広く用いられている無機系凝集剤
であるAft、Fe、Mg塩などが水中で形成する水酸
化アルミニウムや水酸化鉄等の凝集フロックの濾過比抵
抗は1〜110X1012/kgの範囲であり、有機性
粘質物と比較すると、その濾過比抵抗は小さい、しかし
ながら、これらの凝集フロックは圧縮性があり、高圧条
件下におかれると緻密化されて濾過比抵抗が急増すると
いう特性をもっている。従って、凝集剤によりコロイド
性物質がフロック化されて濾過比抵抗が減少するのにか
かわらず、これらのフロックが膜面に圧密化することに
よフて濾過比抵抗が増大するため、凝集剤の未透過速度
を上昇させる効果は相殺され、結果的に凝集剤を用いな
い場合と同様に未透過速度が経時的に低下するようにな
る。
分11iWAを背圧洗浄を行なうことによりゲル層を剥
離除去する方法は、未透過速度の回復に有効な方法では
あるが、凝集処理を施していない原水を膜分離する場合
には、原水中のコロイド粒子が膜面にゲル層を形成する
ため、頻繁に、例えば15分に1回の割合(即ち、14
分通水、1分洗浄)で背圧洗浄する必要がある。このた
め、従来の背圧洗浄方法は、洗浄頻度が高く、処理効率
が悪い上に、分msが早期に損耗するという欠点があっ
た。
本発明は上記従来の問題点を解決し、半透膜を用い、圧
力を駆動力として、有機性物質や無機性物質を含む原水
を膜分離する方法において、高い未透過速度を長期間安
定に維持して、効率的に膜分1ml処理することができ
る。膜分離方法を提供すること・を目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明の膜分離方法は、凝集剤を添加した原水を膜分l
I処理する方法において、30分〜120分に1回の割
合で分離膜を背圧逆洗することを特徴とする。
なお、本発明の方法において、30〜120分に1回の
割合で分離膜を背圧逆洗するとは、1回の膜分離処理(
原水の通水)と背圧逆洗を30〜120分のサイクルで
行なうことを表わし、この30〜120分のサイクルは
、背圧逆洗時間を含むものである。
以下に本発明を図面を参照して詳細に説明する。
第1図は本発明の膜分離方法の実施に好適な膜分離装置
の系統図である。
図示の膜分離装置は、原水に凝集剤を添加して凝集処理
する攪拌機1aを備える凝集反応槽1、凝集処理した原
水の循環水槽2、分離膜3aを僅える膜モジュール3、
原水を膜モジュール3に供給するための加圧循環ポンプ
P1膜モジュール3の背圧加圧手段4及び凝集剤の供給
手段5より主として構成されている。符号11〜20は
液流通用の配管を示す。21はポンプPを迂回するよう
に設けられた配管であり、V、、V、はバルブである。
なお、第1図の装置では、背圧加圧手段4は、分離膜3
aに対し静水頭をかけ得るように上下方向に延設された
ヘッダにて構成されている。
図示の方法においては、まず原水を配管11より凝集反
応j111に供給し、配管12より供給される′#1集
剤と攪拌機1aにて攪拌して凝集反応させ、コロイド成
分を凝集させる。
凝iJ、IA理された原水は、配管13、循環水槽2、
配管14.15を経て、加圧循環ポンプPの動力により
膜モジュール3に供給され膜分離処理される。この場合
、バルブvIは開、閉のいずれでも良い。
膜モジュール3の透過水は配管16、背圧加圧手段4、
配管17を経て処理水として系外に排出される。一方、
濃縮水は、配管18.20より循環水槽2に循環される
。この際、バルブv2を開閉することにより、必要に応
じて濃縮水の一部を配管19より糸外に排出する。
このようにして原水の膜分離処理を継続して行なった後
は、次のようにして分離膜3aの背圧洗浄を定期的に行
なう。
即ち、バルブv1を開とすると共に、ポンプPを停止す
る。ポンプPを停止することにより、膜モジユール3内
の水が瞬時に配管21を経て循環水槽2側に逆流する。
即ち、第1図の場合、濃縮水取出用配管20の開放端が
循環水槽2の水面位より高い位置にあることから、ヘッ
ド差により瞬時に逆流が発生する。
また、ポンプPを停止すると、背圧加圧手段4としての
ヘッダにより、膜モジュール3の分11膜3aに背圧を
かけることができる。このヘッダの立上げ高さは、特に
制限はないが、例えば、0.1〜0.5kg/crn”
程度の背圧を加えることができるようにするのが好まし
い。
このようにして背圧をかけた状態で逆洗を行なうと、分
11111!3aの膜面(原水側)に圧縮されて堆積し
ているゲル層(′M集集口ロック層は、原水ポンプPを
停止することにより、圧力開放状態となり、その圧縮度
がゆるんだ状態となると共に、この圧縮度がゆるんだゲ
ル層の表面に沿って瞬間的に高速の逆流が流れ、更に、
分離膜3aに背圧が加えられることにより、ゲル層は効
率的に取り除かれる。
このようにして、ゲル層を除去した後は、ポンプPを作
動させて原水の膜分1llIA理を再開する。
本発明の方法においては、このように凝集剤を添加した
原水を通水した後、背圧逆洗するため、背圧逆洗の頻度
を従来より大幅に少なくできる。
即ち、原水の水質によフても異なるが、30〜120分
に1回という非常に低い割合にすることができる。
なお、上記説明は本発明の一例であって、本発明はその
要旨を超えない限り、上記説明に限定されるものではな
い。
例えば、凝集剤の添加は、凝集反応槽を設けることなく
、循環水槽に直接添加亥るようにしても良く、更には原
水供給配管又は循環水配管に凝集剤を添加するようにす
ることもできる。
また、背圧加圧手段も図示のものの他、加圧ガス供給管
や加圧ポンプ等を設けた構成とすることができる。
背圧逆洗を行なう時には、通水は停止しても継続してい
てもどちらでも良いが、第1図に示すように、原水の加
圧循環ポンプを迂回するバイパス配管21を設け、かつ
、循環水槽の水面位より高所に開放可能な濃縮水取出用
配管を設け、通水を停止して、原水の逆流を瞬時に生じ
させることにより、極めて高い洗浄効果を得ることがで
きる。
本発明の方法において、凝集剤としては、特に制限はな
く、例えばポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、
含鉄、塩化アルミニウム、塩化第二鉄、ポリ硫酸鉄等を
用いることができ、これらの凝集剤に更に各種高分子ポ
リマーを凝集助剤として併用することもできる。
このような凝集剤の添加量はジャーテスト等により、濾
過抵抗が最少となる範囲で適宜決定すれば良く、必ずし
も従来の凝集沈殿濾過法で一般に採用されている添加量
はどの多量にする必要はない。本発明においては、通常
の場合、凝集剤の添加量は原水に対して10〜200p
pm程度とするのが好ましい、ただし、原水水質に応じ
て添加することはいうまでもない。
本発明の方法において用いる分wi膜の種類には特に制
限はないが、特にUF膜、ROlliに有効である。
[作用] 例えばυFli[又はRO膜を用いて膜分離を行なう場
合の水通過速度Jvと原水溶質濃度Cの関係は、次式で
表わせる。
Jv =kJ1 ncw / Cb   −■ここでに
:物質移動係数、Cw:膜面の溶質濃度、Cb :溶液
の溶質濃度、であり、溶質とは、溶存性物質ないしコロ
イド状物質を示す。
■式から、kを大きく、Cbを小さくすれば、Jvが大
きくなることは明らかである。このうち、kを大かくす
るには、溶液の温度を高めたり、流れの乱流を促進させ
たりすることで達成されるが、これらの方法はいずれも
、多大なエネルギーを必要とし、必ずしも有利な方法と
は言えない。
一方、cbを小さくする方法として、凝集剤を用いる方
法が知られておりコロイド状物質を含むものに対して効
果が認められる。即ち、凝集反応によりコロイド状物質
をフロック化し、見かけ上のcbを小さくさせるのであ
る。このために、JVは、多くの場合著しく増加するこ
とが報告されている。
しかしながら、Jvが著しく増加すると、膜面近傍で膜
へ向かう速度が高まるために、Jvが小さい条件では溶
液中に浮遊していたフロック状成分が急速に膜面上にひ
きつけられるようになる。
このために、膜面上には、コロイド状成分ではなく、フ
ロック状成分が蓄積する。従って長期にわた)て高いJ
vを維持でかなくなるという問題があフた。このときの
bJVの低下はフロック状成分蓄積層の圧密化によるも
のである。
ところで、Cwを小さくする方法として、定期的に膜面
の遺通水側から、透過水を逆洗させる逆洗がある。この
方法は、精密濾通膜(MF)において、多くの実績があ
り、粗大粒子の蓄積層、即ち、ケーキ層を膜面から剥離
させる方法として有効なものである。しかしながら、微
小粒子であるコロイド状成分を主体とするものは、濃度
の高い蓄積層で、コロイド粒子間の会合が促進し、粒子
相互間の結合力の大きい、強固なゲル層となる。
このため、コロイド状成分を主体とするものに対しての
逆洗の効果は期待できない場合が多い。このために、従
来は長期間の使用の後は、薬品洗浄を行なって膜面上の
ゲル層を除去する手段が必要であった。
現在、一般に市販されているU F”ないしROlli
は、電荷を持たないポリスルホン膜であっても水中にお
いては負に帯電する。多くの水中の粒子は負に帯電して
いるので、JVが小さい場合には、同じ電荷同志のクー
ロン反発力によって膜面上の、粒子の蓄積を減少させる
ことができる。しかしながらこのようなJvは極めて小
さい値であって、実用に供せない、これに対して、Jv
を高めるために、圧力などの駆動力を高めると、クーロ
ン反発力によって、膜面近傍から遠ざけようとする速度
よりも、速い速度でコロイド粒子が近接して、結果的に
強固なゲル層を形成してしまうのである。一方、一般に
用いられている凝集剤は、水中のコロイド粒子の電荷と
反対の電荷を持フている。即ち、AILやFe塩などの
無機系凝集剤は、水中で金属水酸化物を生じ、この金属
水酸化物の周囲は正に帯電するので、水中の負電荷に帯
電したコロイド粒子を吸着させて、凝集フロックをつく
ることができる。
水中で負に帯電している分離膜を用いて、正に帯電した
凝集フロックを含む水を分離する場合には、Jvが大ぎ
いことに加えて、クーロン引力により膜面上に強固な凝
集フロックの層が形成される。一般に、凝集剤を用いて
凝集した原水を直接に膜分離する方法においては、初期
に得られる高Jvのために、ある程度の長期にわたって
継続した運転を実施することができる。しかしながら、
より長期の通水を行なうと、凝集層が圧密濃縮すること
によってフロック同志の会合が起こり、強固なゲル状の
層を形成することになる。結果的にこの層の抵抗のため
に、Jvは低下し、薬品洗浄などにより、この層を除去
する必要があった。
本発明者は、これらのことを鑑みて、凝集剤を用いるこ
とによって得られるJvを継続させる方法を検討した。
多くの市販分11!膜は水中で負に帯電しているので、
AllやFe塩で凝集したフロックは、膜面に付着する
ことは避けられない。膜面にクーロン引力に付着したこ
のフロックの第−層は、逆洗などの手段によって取り除
くことはできない。
膜面上に沈積成長する凝集フロックの層は、経時的に会
合し、フロックの粗大化が起こり、ついには膜面上の全
域にわたって会合していく。MP膜などのように、濾過
速度よりも大きい速度で逆洗を行?7う場合には、凝集
フロック同志が会合したゲル層も除去できる。しかしな
がら、UFlliやRO膜などの場合には、濾過速度よ
りも大きい速度で背圧をかけると、膜が破壊してしまい
通液が不可能となる。このためUFlliやRO膜など
の緻密な膜において、逆洗を行なう場合、その速度は濾
過速度と比べて小さい値に設定する必要がある。このよ
うに弱い力でしか逆洗できない、UF膜やRO膜では、
会合の進んだゲル層を除去することができない。
一方、膜面で進行する凝集フロックの会合時において、
未凝集のコロイド状粒子を取り込む作用も生じる。即ち
、会合が進んで強いゲル状の層を形成する過程で、未凝
集のコロイド状粒子を吸着させるのである。従って、あ
る程度の会合が進行しないうちに、逆洗によって、凝集
フロックを膜面より遠ざける操作を行なうと、未凝集の
コロイド状粒子を膜面上に取り残すことになって、遂に
は、コロイド状微粒子の蓄積層を形成することになる。
このようなことから、凝集剤を用いることによりC6を
小さくし、かつ、定期的な逆洗により(、を小さくして
、Jvを高い値に維持するのは、逆洗の間隔が重要な因
子となる。
本発明者らは、凝集剤を用いた場合の多くの事例につい
て検討した結果、逆洗の間隔は、30分から2時間まで
のところで、Jvを高い値に維持できることを見出した
このような間隔で定期的に逆洗をすることにより、膜面
に付着している強固な付着層は除いて、ある程度会合が
進み未凝集のコロイド状物質を取り込んだ粗大化した凝
集フロックを膜面から遠ざけることができる。このこと
により、Cbを小さく、Cwを小さくして、多大エネル
ギーを消費することなく、Jvを高く維持することがで
きるのである。
[実施例] 以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
実施例1 原水(相模湖湖水)中にポリ塩化アルミニウム(PAC
)100mg/uを添加し、凝集フロックを発生させた
懸濁液を、下記条件にて通水、背圧逆洗した。フラック
スの経時変化を第2図に示す。
処理条件 分離  膜 :UF膜(ポリスルホンUF膜:分画分子
i2万) 膜モジュール:波状スペーサ(3rnm高さ)を挿入し
たスパイラルモ ジュール。
膜面循環平均流速:0.93m/sec平均圧カニ1.
26kg/crn’ 背圧逆洗圧:0.17kg/cゴ 運転サイクル:27分遣水/3分背圧逆洗の間欠運転 比較例1 背圧逆洗を行なわず連続運転としたこと以外は実施例1
と同様の処理を行ない、フラックスの経時変化を第2図
に示した。
比較例2 PACを添加しなかったこと以外は実施例1と同様の処
理を行ない、フラックスの経時変化を第2図に示した。
第2図より明らかなように、本発明の方法によれば、従
来の方法に比べて約3倍の高フラツクスを得ることがで
きる。
実施例2 原水(厚木市水)にカオリン5 m g / IL及び
PAC30mg/λを添加し、凝集フロックを発生させ
た懸濁液を、下記条件にて通水、背圧逆洗した。フラッ
クスの経時変化を第3図に示す。
処理条件 分 1!tllli:低圧RO膜(ポリスルホンポバー
ル系複合膜) 膜モジュール:実施例1で用いたものと同様。
膜面循環平均流速:0.93m/sea平均圧カニ10
kg/err? 背圧逆洗圧:0.17kg/cm’ 運転サイクル:27分通水/3分背圧逆洗の間欠運転 比較例3 PACを添加せず、また、背圧逆洗を行なわなかったこ
と以外は実施例2と同様の処理を行ない、フラックスの
経時変化を第3図に示した。
第3図より明らかなように、本発明の方法によれば、従
来の方法に比べて約2倍の高フラツクスを得ることがで
きる。
実施例3 原水(相撲川河川水)中にポリ塩化アルミニウム(PA
C)xoomg/Ilを添加し、凝集フロックを発生さ
せた懸濁液を、下記条件にて通水、背圧逆洗した。逆洗
サイクルと平均フラックスとの関係を調べ、結果を第4
図に示した。
処理条件 分 m  膜 :UF膜(ポリスルホンUF膜:分画分
子量2万) 膜モジュール:実施例1で用いたものと同様。
膜面循環平均流速:0.93m/sec平均圧カニ1.
28kg/crn” 背圧逆洗圧:0.17kg/cm’ 運転サイクル: 比較例4 PACを添加しなかったこと以外は実施例3と同様の処
理を行ない、逆洗サイクルと平均フラックスとの関係を
調べ、結果を第4図に示した。また、逆洗を行なわなか
ったもの(逆洗サイクル=0分)についても平均フラッ
クスを調べ、結果を第4図に示した。
第4図より、30〜120分の逆洗サイクルにて、良好
なフラックスが得られることが明らかである。
[発明の効果] 以上詳述した通り、本発明の膜分離方法によれば、凝集
処理を施した原水を膜分離処理するにあたり、凝集フロ
ックの膜面への圧密化を防止して、従来の凝集処理のみ
の場合或いは背圧逆洗処理のみの場合に比べて飛躍的に
高い水運過速度を維持することができる。しかも逆洗顕
度を低くおさえることができることから、処理作業数も
軽減され、処理操作が簡便なものとされるため処理コス
トが低度化されると共に、分離膜の損耗を防止してその
寿命を延長させることが可能とされる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の膜分離方法の実施に好適な膜分離装置
の系統図、第2図は実施例1、比較例1及び比較例2の
結果を示すグラフ、第3図は実施例2及び比較例3の結
果を示すグラフ、第4図は実施例3及び比較例4の結果
を示すグラフである。 1・・・凝集反応槽   2・・・循環水槽、3・・・
膜モジュール、 3a・・・分離膜、4・・・背圧加圧
手段。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)凝集剤を添加した原水を膜分離処理する方法にお
    いて、30分〜120分に1回の割合で分離膜を背圧逆
    洗することを特徴とする膜分離方法。
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