限外濾過水システム
限外濾過システム技術の特徴
限外濾過技術は膜濾過法の一種で、クロス濾過とも呼ばれます。10～100Åの粒子を周囲の粒子を含む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とは、通常、液体中の溶質を指します。基本原理は、常温で一定の圧力と流量のもと、非対称の微多孔構造と半透膜媒体を用い、膜の両側の圧力差を駆動力として、クロスフロー濾過方式を採用しています。これにより、溶媒や小分子物質は通過しますが、タンパク質、水溶性ポリマー、細菌などの高分子物質や粒子は濾過膜によって遮断されます。これにより、分離、分級、精製、濃縮を実現する新しい膜分離技術です。
1. 限外濾過プロセスは室温で行われ、条件が穏やかで成分に損傷がないため、薬物、酵素、果汁などの熱に敏感な物質の分離、分類、濃縮、濃縮に特に適しています。
2. 限外濾過プロセスは変化せず、加熱も不要、エネルギー消費量が少なく、化学試薬を追加する必要がなく、汚染もなく、一種の省エネおよび環境保護の分離技術です。
3. 限外濾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. 限外濾過プロセスでは、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す。プロセスが短く、操作が簡単で、制御とメンテナンスも簡単です。
5. 限外濾過法にも一定の制限があり、直接乾燥粉末製剤を得ることはできません。タンパク質溶液の場合、通常10～50%の濃度しか得られません。限外濾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すことで試料液に内圧を形成し、容器の底部には固体の膜板が設けられています。膜板の開口径よりも小さな分子は圧力作用によって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。
限外濾過の初期段階では、溶質分子が溶液中に均一に分布しているため、限外濾過速度は比較的速いです。しかし、小分子の連続排出に伴い、高分子が捕捉され、膜表面に蓄積され、濃度が徐々に高まります。これにより、下から上への濃度勾配が形成され、限外濾過速度は徐々に低下します。この現象は濃度分極現象と呼ばれます。
限外濾過システムの構成
限外濾過モジュールは、水処理、廃水処理、食品・飲料業界、バイオメディカルなどの分野で広く利用されている膜分離技術です。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。
限外濾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、シェルから構成されます。膜パッケージは限外濾過モジュールの中核部分であり、通常は1層以上のポリマーフィルムで構成されています。これらの膜は微多孔構造を有し、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、および懸濁物質をろ過します。支持層は膜分離層の下に位置し、主に膜を支持する役割を果たし、膜の安定性と機械的強度を高めます。
膜分離層は限外濾過モジュールの重要な構成要素であり、その材質と構造は分離効果と透過流束を直接決定します。一般的な限外濾過膜材料には、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、中空糸膜、スパイラル膜、平膜などがあり、異なる構造形態は様々な用途に適しています。中空糸膜分離層は膜面積が大きく、大量の溶液処理に適しています。一方、スパイラル膜または平膜分離層は、限られたスペースに適しています。
限外濾過モジュールのハウジングは、一般的に耐腐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。ハウジングは、モジュールの取り付け・取り外し、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、漏れや汚染を防止するために、優れたシール性も備えていなければなりません。
限外濾過モジュールの構造設計においては、流体の分配と回収も考慮する必要があります。通常、限外濾過モジュールは、流体の均一な分配と回収を実現するために、多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、供給ポート、生成出口、廃液出口が設けられています。
つまり、限外濾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す。合理的な構造設計は、モジュールの安定性と分離効率を向上させ、さまざまな分野のニーズを満たすことができます。
1. 限外濾過膜
限外濾過膜は限外濾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濾過を実現することです。限外濾過膜は、中空糸膜、平膜、半透膜などに分類されます。その中でも、中空糸膜は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
支持層は限外濾過膜の最下層であり、主に膜構造の支持と安定化を目的としています。支持層は、ステンレス鋼、プラスチック、セラミックなど、様々な材料で作製できます。
3. 給水管と排水管
給水管と排水管は、建物への水の流入と流出のための重要な経路であり、通常はPVC、ステンレス鋼などの材料で作られています。スムーズな水の流れを確保するためには、給水管と排水管の設計も非常に重要です。
4. 制御システム
下水処理における限外濾過構造の制御システムは、構造の正常な動作と安定性を確保するために自動制御を採用しています。制御システムには、品質監視システム、流量制御システム、セルフクリーニングシステム、警報システムが含まれます。
これらは下水処理における限外濾過構造の主要構成要素であり、その中でも限外濾過膜は最も重要な部品です。より良い処理効果を得るには、水質や水量に応じて異なる限外濾過構造の構成を選択する必要があります。
限外濾過の原理
膜処理技術は、新たな高効率分離技術として、そのシンプルなプロセス、簡便な操作、コンパクトな設備、優れた分離効果、高い経済性から、近年、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おいて非常に重要な役割を果たしています。水と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。
精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透はすべて外力駆動型の膜処理技術です。現在、いくつかの主要な膜分離技術の中で、限外濾過と逆浸透が最も広く使用されています。
限外濾過プロセスは、膜の両側の圧力差によって駆動され、機械的ふるい分けに基づく溶液分離プロセスです。限外濾過膜の孔径は0.005～1.0μmです。限外濾過膜の孔径より小さい物質や水に溶解した物質は透過液として濾過膜を通過でき、濾過膜を通過できない物質は遮断され、排出液に濃縮されます。その結果、生成水（透過溶液）には水、イオン、小分子物質が含まれ、コロイド物質、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濾過プロセスであり、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。限外濾過プロセスは常温・低圧で運転でき、相変化がなく、高効率で省エネです。
ろ過する水は、限外ろ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、水はろ過膜を透過しますが、水中の不純物は遮断され、ろ過膜を透過できません。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が発生します。これを避けるために、分離プロセス中に不純物が濃縮物として水の一部とともに流出す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できます。凝集、沈殿、砂ろ過などの従来の浄化方法と比較して、限外ろ過は水質が安定しており、設備管理が簡単で、ろ過残渣や凝集スラッジなどの廃棄物も生成しません。
限外濾過膜および限外濾過アセンブリ
水処理における限外濾過膜の適用において、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、アルカリ、酸化剤、微生物などの作用下における材料の寿命を決定し、洗浄方法にも直接関係します。親水性は、膜材料の水中有機汚染物質への吸着度を決定し、膜透過流束に影響を与えます。限外濾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. 限外濾過膜の製造に必要な化学物質
限外濾過膜の材料は多岐にわたりますが、中空糸型限外濾過膜の材料は主に繊維形成能に優れた高分子材料です。膜材料に求められる要件は、良好なフィルム形成性、耐熱性、耐薬品性、耐酸性・耐アルカリ性、耐微生物侵食性・耐酸化性、そして高い透水性と抗汚染性を得るための優れた親水性です。現在、中空糸型限外濾過膜の材料として一般的に使用されているのは、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。中でも、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濾過膜材料です。
2. 限外濾過膜アセンブリの構造
限外濾過膜は、一般的に板枠型（プレート型）、ロール型、チューブ型、中空糸型などの構造に分けられます。
プレート型超濾過膜は最も独創的な膜構造で、主に大きな粒子状物質の分離に使用されますが、占有面積が大きく、エネルギー消費量が多いため、市場から徐々に排除されてきました。
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工業化が容易であり、製造される部品も工業化が容易であるため、逆浸透、ナノ濾過、限外濾過、精密濾過の4つの膜分離プロセスをカバーし、広く利用されています。逆浸透およびナノ濾過分野では最も高い利用率を誇っています。
管状限外濾過膜は、広範囲の懸濁物質、繊維、タンパク質などの物質に耐えることができ、原料液体に対する前処理要件が低く、原料液体の高濃度化が可能ですが、設備投資コストが高く、カバーする面積が広くなります。
膜モジュールの構造形態は多岐にわたりますが、現在主に使用されているのは中空糸型限外濾過膜です。モジュール構造は、膜の充填密度を最大限に高め、単位体積あたりの水収率を高め、濃度分極の影響を最小限に抑え、洗浄を容易にし、製造コストを低減することを考慮して設計する必要があります。
現在、中空糸型限外濾過膜は、その比類のない利点により、限外濾過の主流となっています。中空糸型限外濾過膜は、緻密層の位置の違いにより、内圧膜と外圧膜に分けられます。外圧型中空糸濾過膜は、原液を中空糸の外側から内側へと超放射状に透過させ、透過液となります。透過液に捕捉された物質は中空糸の外側に沈みます。膜の入口流路は膜フィラメント間にあり、膜フィラメント間には一定の自由移動空間があるため、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。内圧型中空糸型限外濾過膜の原液は中空糸の内側に入り、圧力差によって駆動され、中空糸の内側から外側へと放射状に沿って透過し、透過液となります。一方、濃縮液は中空糸の内側に留まり、反対側から流出します。膜入口通路は中空糸の内部空洞であり、詰まりを防止するために、入口水の粒子サイズと含有量に厳しい要件があるため、良好な原水水質の動作条件に適しています。
3. 限外濾過膜アセンブリの遮断性能
（1）粒子の捕捉。通常、限外濾過を用いることで濾液の濁度は0.1NTU以下に低減できます。原水の濁度が不安定な場合は、限外濾過法の使用がより適切です。従来の浄水プロセスと比較して、限外濾過は非常に容易に自動化できます。
（2）有機物の遮断。有機物には、粒子、コロイド、水溶性有機物などが含まれます。限外濾過は、異なる種類の有機物を遮断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。従来の方法と比較して、限外濾過法は沈殿を考慮する必要がなく、凝縮液の濾過性にも注意を払う必要はありません。これは、限外濾過の浄化効率が凝縮液の形状や密度とは無関係であるためです。凝集と原水の水質に応じて、限外濾過による有機物の保持率は40％から60％です。
限外濾過システムの運用と保守
限外濾過システムの動作には、全流濾過とクロスフロー濾過の2つのモードがあります。全流濾過では、流入する水がすべて膜表面を通過して生産水になります。クロスフロー濾過では、水の一部が膜表面を通過して水になり、他の部分は不純物とともに排出されて濃縮水になります。エネルギー消費量が少なく、運転圧力が低いため、運転コストが低くなります。クロスフロー濾過は、浮遊物質含有量の高い流体を処理できます。限外濾過の濾液流束が低く、限外濾過膜の濾過負荷が低い場合、膜表面に形成された汚染物質が除去されやすいため、長期にわたって濾液流束が安定します。濾液流束が高い場合、限外濾過膜の回復不可能なファウリングの傾向が高まり、洗浄液の回収率が低下し、長期間にわたって濾液流束の安定性を維持するのに役立ちません。
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、原水中の浮遊物質およびコロイド物質の含有量が低い場合（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用途では、浮遊物質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下げる必要があり、その結果、大量の廃水が発生します。無駄を避けるために、排出された濃縮水は再加圧されて膜管内に戻ります。このようにして、膜管の回収率は低下しますが、システム全体では回収率は依然として高くなります。このモードでは、流入水は膜表面で連続的に循環し、高速循環水は膜表面への粒子の蓄積を防ぎ、ろ液フラックスを増加させます。生産水となる流入水が少ないため、同じ収量を達成するために、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。
限外濾過膜の動作
限外濾過膜は、操作前に以下の手順に従って点検し、起動する必要があります。
（1）入水水質検査。入水濁度を確認することが重要です。濁度がシステムの制限値範囲内であれば、限外濾過装置を稼働させ、残留塩素濃度とpH値を確認します。
（2）システムチェック。プロセスロードマップに従って、機器と接続が正しいか、バルブが正しく開いているかを確認します。手動操作システムでは特に注意が必要です。機械起動時に入口バルブを全開にしないでください。また、濃縮水バルブと造水バルブは全開にしてください。これは、機械起動時に過剰な圧力が発生し、限外濾過膜に衝撃を与え、機器を損傷するのを防ぐためです。
（３）計器点検 すべての計器が正常かどうか、特に圧力計に損傷がないか確認する。
（4）起動。起動前の準備作業。システムの試運転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、ポンプのインペラのステアリングが正しく、ポンプの動作に異常な音がないか確認します。ポンプが正常であることが確認されたら、正式に起動できます。起動後、インターフェースとパイプラインの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1サイクル目では、バルブの開閉を確認し、各種計器の動作が正常である必要があります。
⑸ 運転。設備の運転中は、定期的に計器の正常性、ポンプの異音の有無、水質の適合性などを確認する必要があります。特に圧力計と水流に注意してください。異常が発生した場合は、直ちに停止して点検する必要があります。一般的に、自動制御の設計では、システムの自己保護が考慮されています。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。設備の運転中は、設計要求に従って設備を監視および記録する必要があります。設計要求に従って、定期的に設備を清掃、殺菌、消毒する必要があります。設備は定期的に排気するか、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ます。
② 運転停止期間が7日間を超えない場合、毎日20～60分間、機器の保護運転（ろ過、フラッシング、逆洗、フラッシングのサイクルを含む）を実施し、機器内の貯水水を新鮮な水と入れ替えることができます。
③ 設備を長期間使用しない場合は、まず設備を徹底的に洗浄・消毒し、その後、膜保護剤と抗菌剤を設備内に注入し、設備のすべてのインターフェースを閉じて膜の湿潤状態を保ち、設備内での細菌や藻類の繁殖を防ぎます。
限外濾過膜の汚染
膜汚染とは、物質溶液中の粒子、コロイド、または溶質高分子が物理吸着、化学作用、または機械的遮断によって膜表面に吸着・沈着し、膜細孔を閉塞させ、膜透過流束および分離特性に明らかな変化をもたらすプロセスを指します。限外濾過プロセスにおける膜吸着は、膜汚染の鍵と考えられており、膜、溶媒、および溶質の相互作用に関連しています。膜成分の化学的性質と構造の違いにより、吸着メカニズムも異なり、一般的に静電相互作用、疎水性相互作用などに分けられます。
限外濾過システムの洗浄
限外濾過の過程では、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、膜の洗浄は限外濾過システムにおいて不可欠な操作プロセスであり、膜を効果的に洗浄することは膜の耐用年数を延ばす重要な手段です。 限外濾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。 限外濾過システムの洗浄には、水による順洗浄と逆洗浄、ガス洗浄、化学洗浄などがあります。その中で、水による順洗浄と逆洗浄は膜表面のフィルターケーキ層を除去できます。ガス法は、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、化学反応を介して限外濾過膜表面のコロイド、有機物、無機塩などの不純物や内部の水形成を除去します。
限外濾過システムの逆洗
限外濾過逆洗水は限外濾過生産水です。逆洗水によって持ち込まれた浮遊物質が支持構造に集まり、その後、粒子、細菌、TOCが絶えず放出されるため、原水は逆洗水には適していません。
限外濾過膜部品を長期使用すると、水中の不純物が膜に堆積し、膜の分離性能に徐々に影響を与えます。そのため、使用中に限外濾過膜の収量が20%以上低下した場合、または1～4ヶ月使用した場合、限外濾過膜の化学洗浄を実施し、限外濾過膜上の汚染物質を適時に除去し、限外濾過膜の難治性スケールの形成を防ぎ、膜性能を適時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。入口水の硬度が高い場合、または金属イオン（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を引き起こす場合は、酸性溶液を用いて限外濾過装置を洗浄する必要があります。生物汚染された限外濾過膜の場合は、アルカリ性溶液を用いて限外濾過膜装置を洗浄する必要があります。洗浄にあたっては、以下の点に留意する必要があります。
（１）洗浄剤中に存在する可能性のある不純物が高密度フィルタ層の裏側から膜壁の内側に侵入するのを防ぐために、すべての洗浄剤は限外濾過システムの水入口側からアセンブリに入る必要があります。
（２）限外濾過システムは化学洗浄の前に徹底的に逆洗される。
（３）限外濾過システムの化学洗浄工程全体は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、限外濾過システムの停止時間が３日を超える場合は、長期停止の要件に従って限外濾過システムを保守する必要がある。
（５）洗浄液は、限外濾過水以上の水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に循環す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℃に制御でき、洗浄液の温度を上げると洗浄効率が向上します。
（7）必要に応じて、様々な洗浄剤を用いて洗浄することができますが、洗浄剤や防カビ剤は膜や構成材料に損傷を与えないようにしてください。洗浄後は、洗浄剤を排出し、限外濾過水または逆浸透水でシステムをすすいでから、別の洗浄剤で洗浄してください。
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に、あまり頻繁に行うべきではありません。
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