限外ろ過水システム
限外ろ過システム技術の特徴
限外ろ過技術は、膜ろ過法の一種で、クロスろ過とも呼ばれます。10～100Åの粒子を、粒子を含む周囲媒体から分離することができます。このサイズ範囲の粒子は、通常、液体中の溶質を指します。基本原理は、室温で一定の圧力と流量のもと、非対称の微細多孔質構造と半透膜媒体を使用し、膜の両側の圧力差を駆動力として、クロスフローろ過方式で、溶媒や低分子物質は通過させ、高分子物質やタンパク質、水溶性ポリマー、細菌などの粒子はろ過膜で遮断するというものです。これにより、分離、分類、精製、濃縮を実現する新しい膜分離技術となります。
1. 限外ろ過プロセスは室温で行われ、条件は穏やかで成分に損傷を与えないため、医薬品、酵素、果汁などの熱に弱い物質の分離、分類、濃縮、および濃縮に特に適しています。
2. 限外ろ過プロセスは変更がなく、加熱も不要で、エネルギー消費量が少なく、化学試薬を添加する必要がなく、汚染もないため、省エネで環境に優しい分離技術です。
3. 限外ろ過技術は分離効率が高く、希薄溶液中の微量成分の回収や低濃度溶液の濃縮に非常に効果的です。
4. 限外ろ過プロセスは膜分離の駆動力として圧力のみを使用するため、分離装置はシンプルで、プロセスが短く、操作が簡単で、制御とメンテナンスが容易です。
5. 限外ろ過法にも一定の制限があり、乾燥粉末製剤を直接得ることはできません。タンパク質溶液の場合、一般的に10～50%の濃度しか得られません。限外ろ過装置は密閉容器内で行われ、圧縮空気を動力源として、容器内のピストンを前方に押し出し、試料液に内部圧力を発生させます。容器の底部には固体膜板が設けられています。膜板の開口径よりも小さい分子は圧力の作用により膜板から押し出され、大きな分子は膜板上に捕捉されます。
限外ろ過の開始時、溶質分子が溶液中に均一に分布しているため、限外ろ過速度は比較的速い。しかし、小分子が連続的に排出されるにつれて、高分子が膜表面に捕捉されて高濃度で蓄積され、下から上に向かって濃度勾配が形成されるため、限外ろ過速度は徐々に低下する。この現象を濃度分極現象と呼ぶ。
限外ろ過システムの構成
限外ろ過モジュールは、一般的に用いられる膜分離技術であり、水処理、廃水処理、食品・飲料産業、生物医学などの分野で幅広く利用されています。その構造設計は、モジュールの分離性能と耐用年数に重要な影響を与えます。
限外ろ過モジュールの構造は、一般的に膜エンベロープ、支持層、膜分離層、およびシェルから構成されます。膜パッケージは限外ろ過モジュールのコア部分であり、通常は1層以上のポリマーフィルム層から構成されます。これらの膜は微細多孔質構造を有し、溶媒および溶質中の低分子量物質を保持しながら、溶質、コロイド状物質、および懸濁固形物をろ過します。支持層は膜分離層の下に位置し、主に膜を支持して膜の安定性と機械的強度を高める役割を果たします。
膜分離層は限外ろ過モジュールの重要な部分であり、その材質と構造が分離効果と流量を直接左右します。一般的な限外ろ過膜材料には、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエーテルスルホンなどがあり、これらは優れた耐薬品性と耐熱性を備えています。膜分離層の構造は、中空糸、らせん状フィルム、平板状などがあり、用途に応じて異なる構造形式が適しています。中空糸膜分離層は膜面積が大きく、大量の溶液の処理に適していますが、らせん状膜や平板状膜分離層は限られたスペースに適しています。
限外ろ過モジュールの筐体は、一般的に耐食性と耐圧性に優れたステンレス鋼またはエンジニアリングプラスチックで作られています。筐体は、モジュールの設置・取り外し、および膜のメンテナンス・交換を考慮して設計する必要があります。さらに、漏洩や汚染を防ぐため、筐体は優れた密閉性能を備えている必要があります。
限外ろ過モジュールの構造設計においては、流体の分配と回収についても考慮する必要があります。一般的に、限外ろ過モジュールは、流体の均一な分配と回収を実現するために、マルチチャンネル構造を採用しています。各チャンネルには通常、流体の導入と排出を容易にするために、供給口、生産液排出口、廃液排出口が設けられています。
要するに、限外ろ過モジュールの構造設計は、その分離性能と耐用年数に影響を与える重要な要素である。適切な構造設計を行うことで、モジュールの安定性と分離効率を向上させ、様々な分野のニーズを満たすことができる。
1. 限外ろ過膜
限外ろ過膜は限外ろ過構造の重要な構成要素であり、その主な機能は水中の物質の分離とろ過を実現することです。限外ろ過膜は、中空糸膜、平膜、半透膜などの形態に分類されます。中でも中空糸膜が最も広く使用されており、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリスルホンなどの材料が用いられます。
2. サポート層
支持層は限外ろ過膜の最下層であり、主に膜の構造を支え、安定させる役割を担います。支持層は、ステンレス鋼、プラスチック、セラミックなど、様々な材料で構成できます。
3．給水管と排水管
給排水管は、建物への水の供給と排出を行う重要な経路であり、通常はPVC、ステンレス鋼などの材料で作られています。水のスムーズな流れを確保するためには、給排水管の設計も非常に重要です。
4. 制御システム
下水処理用限外ろ過構造の制御システムは、構造物の正常な運転と安定性を確保するために自動制御を採用することができる。制御システムは、水質監視システム、流量制御システム、自動洗浄システム、および警報システムから構成される。
これらは下水処理における限外ろ過構造の主要構成要素であり、中でも限外ろ過膜は最も重要な部分です。より良い処理効果を得るためには、水質や水量に応じて異なる構成の限外ろ過構造を選択する必要があります。
限外ろ過の原理
膜処理技術は、その簡便なプロセス、操作の容易さ、コンパクトな装置、優れた分離効果、そして高い経済性から、近年、効率的な分離技術として、水処理、環境保護、医療、食品、化学などの分野で急速に応用されています。膜処理技術は、水不足問題の解決に非常に重要な役割を果たしています。水や廃水のリサイクルにおいて、膜の特別な役割は非常に重要であり、特に水資源が乏しい地域では、広く注目を集めています。
精密ろ過、限外ろ過、ナノろ過、逆浸透はすべて、外部力駆動型の膜処理技術である。現在、主要な膜分離技術の中で、限外ろ過と逆浸透が最も広く利用されている。
限外ろ過プロセスは、膜の両側の圧力差を利用した機械的スクリーニングに基づく溶液分離プロセスです。限外ろ過膜の孔径は0.005～1.0μmです。限外ろ過膜の孔径よりも小さい物質や水に溶解した物質は透過液としてろ過膜を通過させ、ろ過膜を通過できない物質は捕捉されて排出液中に濃縮されます。その結果、生成される水（溶液）には水、イオン、低分子物質が含まれ、コロイド状物質、粒子、細菌、ウイルス、原生動物は膜によって除去されます。膜分離プロセスは動的なろ過プロセスであり、高分子溶質は膜によって遮断され、濃縮溶液とともに膜成分から流出します。膜は目詰まりしにくく、長期間連続使用できます。限外ろ過プロセスは室温・低圧で運転でき、相変化がなく、高効率かつ省エネルギーです。
濾過対象の水は限外濾過供給ポンプによって加圧され、膜モジュールに送られます。膜の内外の圧力差により、水は濾過膜を透過しますが、水中の不純物は膜に捕捉され、透過できません。分離された不純物が膜上に過剰に堆積すると、不溶性塩が膜表面に集まり、コーティング層を形成してスケールとなります。これを避けるため、分離プロセス中に不純物を濃縮物として水の一部とともに流出させることがよくあります。膜の種類と用途に応じて、このプロセスは連続的に、または還流中に実行されます。凝集、沈殿、砂濾過などの従来の精製方法と比較して、限外濾過は水質が安定しており、装置管理が簡単で、濾過残渣や凝集スラッジなどの廃棄物が発生しません。
限外ろ過膜および限外ろ過装置
水処理において限外ろ過を用いる場合、材料の化学的安定性と親水性は最も重要な2つの特性です。化学的安定性は、酸やアルカリ、酸化剤、微生物の作用下における材料の寿命を決定し、洗浄方法に直接関係します。親水性は、膜材料の水中有機汚染物質に対する吸着度を決定し、膜の透過流束に影響を与えます。限外ろ過膜には様々な種類と仕様があり、実際のニーズに応じて選択できます。
1. 限外ろ過膜の製造に必要な化学材料
限外ろ過膜の製造には多くの材料がありますが、中空糸限外ろ過膜の製造に使用される材料は、主に繊維形成性能に優れたポリマー材料です。膜材料に求められる要件は、良好な膜形成性、熱安定性、化学的安定性、耐酸性および耐アルカリ性、耐微生物侵食性および耐酸化性、そして高い水透過量と防汚性を得るための良好な親水性です。現在、一般的に使用されている中空糸限外ろ過膜材料は、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリエーテルスルホン（PFS）、ポリスルホン（PS）、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリエチレン（PF）、ポリアクリロニトリル（PAN）、ポリプロピレン（PP）などです。ポリフッ化ビニリデンとポリエーテルスルホンは、最も広く使用されている限外ろ過膜材料です。
2. 限外濾過膜アセンブリの構造
限外ろ過膜は、一般的にプレート型（板型）、ロール型、チューブ型、中空糸型などの構造に分類される。
プレート型限外ろ過膜は最も原始的な膜構造であり、主に大きな粒子状物質の分離に用いられてきたが、設置面積が大きく、エネルギー消費量も多いため、市場から徐々に姿を消しつつある。
コイル膜モジュールは、スパイラルコイル膜モジュールとも呼ばれます。使用される膜は大規模な工業化が容易であり、製造される構成要素も工業化が容易であるため、広く利用されており、逆浸透、ナノろ過、限外ろ過、精密ろ過の4つの膜分離プロセスを網羅し、特に逆浸透とナノろ過の分野で最も高い利用率を誇っています。
管状限外ろ過膜は、懸濁物質、繊維、タンパク質などの物質を広範囲にわたって除去でき、原料液の前処理要件が低く、高濃度の原料液のろ過も可能ですが、設備投資コストが高く、広い面積を必要とします。
膜モジュールの構造形態は数多く存在するが、現在では中空糸限外ろ過膜が主に用いられている。モジュールの構造は、膜の充填密度を最大限に高め、単位体積あたりの水収量を増加させ、濃度分極の影響を最小限に抑え、洗浄を容易にし、製造コストを低く抑えるように設計する必要がある。
現在、中空糸限外ろ過膜は、その比類のない利点から限外ろ過の主流となっています。緻密層の位置の違いにより、中空糸限外ろ過膜は内圧膜と外圧膜に分類されます。外圧中空糸ろ過膜では、原液が中空糸を外側から内側に向かって半径方向に沿って透過し、透過液となります。捕捉された物質は中空糸の外側に沈降します。膜の入口チャネルは膜フィラメント間にあり、膜フィラメントには一定の自由運動空間があるため、原水の水質が悪く懸濁物質含有量が高い状況に適しています。内圧中空糸型限外ろ過膜では、原液が中空糸の内部に入り、圧力差によって駆動され、半径方向に沿って中空糸を内側から外側に向かって透過液となり、濃縮液は中空糸の内部に留まり、反対側から流出します。膜の入口通路は中空糸の内部空洞であり、目詰まりを防ぐために、入口水の粒子サイズと含有量に厳しい要件があるため、良質な原水の水質での運転条件に適しています。
3. 限外ろ過膜アセンブリの捕捉性能
（１）粒子の捕捉。限外ろ過を用いることで、ろ液の濁度を通常0.1NTU以下に低減できます。原水の濁度が不安定な場合は、限外ろ過を用いる方がより適切です。従来の浄化プロセスと比較して、限外ろ過は非常に容易に自動化できます。
（２）有機物の捕捉。有機物には、粒子、コロイド、水溶性有機物が含まれます。限外ろ過は様々な種類の有機物を捕捉する能力が異なるため、浄化効率は水中の有機物の組成に依存します。従来の方法と比較すると、限外ろ過法では沈殿を考慮する必要がなく、凝縮液の濾過性に注意を払う必要もありません。なぜなら、限外ろ過の浄化効率は凝縮液の形状や密度とは無関係だからです。凝集と原水の水質にもよりますが、限外ろ過による有機物の保持率は４０％〜６０％です。
限外ろ過システムの運転および保守
限外ろ過システムの運転には、全流ろ過とクロスフローろ過の2つのモードがあります。全流ろ過では、流入する水はすべて膜表面を通過して水になります。クロスフローろ過では、水の一部が膜表面を通過して水になり、残りの部分は不純物とともに排出されて濃縮水になります。エネルギー消費量と運転圧力が低いため、運転コストが低くなります。クロスフローろ過は、懸濁固形物含有量の高い流体を処理できます。限外ろ過のろ液流量が低く、限外ろ過膜のろ過負荷が低い場合、膜表面に形成された汚染物質は容易に除去されるため、長期的なろ液流量は安定します。ろ液流量が高い場合、限外ろ過膜の回復不能な汚染の傾向が高まり、洗浄液の回収率が低下するため、ろ液流量の安定性を長期間維持するのに適していません。
フィルタリングモード：
1. フルストリームフィルタリングモード
一般的に、原水中の懸濁物質やコロイドの含有量が低い場合（例えば、SS
2. クロスフローフィルタリングモード
原水およびほとんどの非水系用途では懸濁固形物の含有量が高いため、膜管内の流量を高く維持するために回収率を低下させる必要があり、その結果、大量の廃水が発生します。無駄を避けるため、排出された濃縮水は膜管内に再加圧されます。このようにして、膜管の回収率は低下しますが、システム全体としては回収率は依然として高くなります。このモードでは、流入水は膜表面を連続的に循環し、高速循環水は膜表面への粒子の蓄積を防ぎ、濾液流量を増加させます。流入水が生産水になる量が少ないため、同じ収率を達成するために、クロスフローろ過モードのエネルギー消費量はフルフローろ過モードよりも大きくなります。
限外濾過膜の操作
限外ろ過膜は、運転開始前に以下の手順に従って点検および起動する必要があります。
（１）取水水質検査。重要なのは取水水の濁度をチェックすることです。濁度がシステムの制限値範囲内であれば、限外ろ過装置を稼働させ、その後、水中の残留塩素濃度とpH値をチェックします。
（２）システムチェック。プロセスロードマップに従って、装置と接続が正しいか、バルブが正しく開いているかを確認します。手動操作システムには特に注意を払う必要があります。機械の起動時に入口バルブを全開にせず、濃縮水バルブと水生成バルブを全開にして、機械の起動時に過剰な圧力がかかるのを避けてください。過剰な圧力がかかると、限外ろ過膜に衝撃を与え、装置を損傷する可能性があります。
（３）計器の点検。計器類がすべて正常かどうか、特に圧力計が破損していないかを確認します。
（４）起動。起動前の準備作業が終わったら、システムの起動テストを行うことができます。つまり、電源を入れ、ポンプを起動し、すぐに停止して、ポンプのインペラの回転が正しいか、ポンプの動作に異常な音がないかを確認します。ポンプが正常であることが確認できたら、ポンプを正式に起動できます。起動後、インターフェースと配管に漏れがないか確認する必要があります。自動制御プログラムの最初のサイクルで、バルブの開閉を確認し、各種計器の動作が正常であることを確認します。
⑸ 操作。機器が稼働中は、計器が正常かどうか、ポンプから異音がないか、水質が要求を満たしているかを定期的に確認する必要があります。特に圧力計と水流に注意し、異常がある場合は直ちに停止して点検する必要があります。一般的に、自動制御を設計する際には、システムの自己保護が考慮されています。何らかの異常が発生した場合、システムは自動的に運転を停止し、警報を発します。機器の運転中は、設計要件に従って機器を監視および記録する必要があります。設計要件に従って、機器を定期的に洗浄、滅菌、消毒する必要があります。機器を定期的に換気するか、自動排気弁の動作状態を確認する必要があります。
⑹ シャットダウン。
① まずシステム圧力と膜間圧力差を下げてから、シャットダウンしてください。
②停止時間が7日を超えない場合、装置の保護運転を毎日20～60分間実施し（時間はろ過、洗浄、逆洗、洗浄のサイクルに従う）、装置内に貯蔵された水で真水を置き換えることができます。
③ 装置を長期間使用しない場合は、まず装置を徹底的に洗浄・消毒し、その後、膜保護剤と抗菌剤を装置内に注入し、装置のすべてのインターフェースを密閉して膜を湿潤状態に保ち、装置内での細菌や藻類の繁殖を防ぐ必要があります。
限外濾過膜の汚染
膜汚染とは、材料溶液中の粒子、コロイド、または溶質高分子が、物理吸着、化学作用、または機械的捕捉によって膜表面に吸着・沈着し、膜の細孔を閉塞させ、膜の透過流束や分離特性に著しい変化をもたらす過程を指します。限外ろ過プロセスにおける膜吸着は、膜汚染の鍵となる現象と考えられており、膜、溶媒、溶質の相互作用に関係しています。膜成分の化学的性質や構造が異なるため、吸着のメカニズムも異なり、一般的には静電相互作用、疎水性相互作用などに分類されます。
限外ろ過システムの洗浄
限外ろ過の過程では、分離された物質やその他の不純物が徐々に膜表面に蓄積し、膜の汚染や目詰まりを引き起こします。そのため、膜の洗浄は限外ろ過システムにおいて不可欠な操作プロセスであり、膜の効果的な洗浄は膜の耐用年数を延ばすための重要な手段です。限外ろ過膜の一般的な洗浄方法は、主に物理洗浄と化学洗浄です。限外ろ過システムの洗浄には、水による順洗と逆洗、ガス洗浄、化学洗浄などがあります。その中で、水による順洗と逆洗は膜表面のフィルターケーキ層を除去できます。ガス洗浄法は、ガスの強い乱流を利用して膜表面の汚染層をより効果的に除去します。化学洗浄は、化学反応によって限外ろ過膜表面のコロイド、有機物、無機塩類などの不純物や内部の水を除去します。
限外ろ過システムの逆洗
限外ろ過逆洗水は限外ろ過の製造用水です。逆洗水によって運ばれてきた懸濁物質は支持構造に集積し、粒子、細菌、TOCを絶えず放出するため、原水は逆洗水には適していません。
限外ろ過膜を長期間使用すると、水中の不純物が膜上に堆積し、徐々に膜の分離性能に影響を与えます。そのため、運転中に限外ろ過膜の水収量が20%以上低下した場合、または1～4ヶ月使用した場合には、限外ろ過膜の化学洗浄を実施し、限外ろ過膜上の汚染物質を速やかに除去し、限外ろ過膜への難分解性スケールの形成を防ぎ、膜の性能を速やかに回復させる必要があります。
化学洗浄は、酸性溶液洗浄とアルカリ性溶液洗浄に分けられます。原水の硬度が高い場合や、金属イオン（鉄イオンなど）の含有量が設計基準を超え、膜の入口側に無機汚染が生じた場合は、限外ろ過装置の洗浄に酸性溶液を使用する必要があります。生物汚染された限外ろ過膜の場合は、限外ろ過膜装置の洗浄にアルカリ性溶液を使用する必要があります。洗浄時には、以下の点に注意してください。
（１）洗浄剤はすべて限外ろ過システムの給水側から装置内に導入されなければならず、緻密なフィルター層の裏側から膜壁内部に洗浄剤中に存在する可能性のある不純物が侵入するのを防ぐ必要がある。
（２）限外ろ過システムは化学洗浄の前に徹底的に逆洗される。
（３）限外ろ過システムの化学洗浄プロセス全体には２〜４時間かかります。汚れがひどい場合は、１２時間以上浸漬する必要があります。
（４）洗浄後、限外ろ過システムの停止時間が３日を超える場合は、限外ろ過システムは長期停止の要件に従って維持されなければならない。
（５）洗浄液は超濾過水またはそれ以上の品質の水で調製しなければならない。
（６）洗浄剤は、膜アセンブリ内を循環させる前に、汚染物質を除去しなければならない。
洗浄液の温度は10～40℃の範囲で制御でき、洗浄液の温度を上げると洗浄効率が向上する。
（７）必要に応じて、様々な洗浄剤を使用して洗浄できますが、洗浄剤や殺菌剤は膜や構成材料に損傷を与えてはなりません。洗浄後は毎回、洗浄剤を排出し、別の洗浄剤を使用する前に、限外ろ過水または逆浸透水でシステムをすすいでください。
逆浸透膜の化学洗浄は、膜要素への不可逆的な損傷を防ぐため、頻繁に行いすぎないようにすべきである。
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