特許第6036808号(P6036808)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6036808
(24)【登録日】2016年11月11日
(45)【発行日】2016年11月30日
(54)【発明の名称】造水方法
(51)【国際特許分類】
   C02F 1/44 20060101AFI20161121BHJP
   B01D 61/12 20060101ALI20161121BHJP
【FI】
   C02F1/44 H
   B01D61/12
【請求項の数】3
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2014-507916(P2014-507916)
(86)(22)【出願日】2013年3月26日
(86)【国際出願番号】JP2013058787
(87)【国際公開番号】WO2013146784
(87)【国際公開日】20131003
【審査請求日】2016年2月2日
(31)【優先権主張番号】特願2012-71574(P2012-71574)
(32)【優先日】2012年3月27日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003159
【氏名又は名称】東レ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100090343
【弁理士】
【氏名又は名称】濱田 百合子
(74)【代理人】
【識別番号】100129160
【弁理士】
【氏名又は名称】古館 久丹子
(74)【代理人】
【識別番号】100177460
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 智子
(72)【発明者】
【氏名】堀川 厳太郎
(72)【発明者】
【氏名】久保 広明
(72)【発明者】
【氏名】藤原 浩二
【審査官】 富永 正史
(56)【参考文献】
【文献】 特開2001−252659(JP,A)
【文献】 特開2010−46668(JP,A)
【文献】 特開2009−285522(JP,A)
【文献】 特開2007−125493(JP,A)
【文献】 特開平9−299944(JP,A)
【文献】 特開2009−106832(JP,A)
【文献】 特開2009−39599(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C02F 1/44
B01D 61/00−71/82
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
逆浸透膜またはナノろ過膜を備えた膜エレメントに被処理水を供給し、濃縮水と透過水に分離することを含む、水処理装置を用いた造水方法であって、
運転時に、被処理水の水質指標、および、設定した透過水回収率に基づいた混合比で濃縮水と透過水とを混合した混合水の水質指標に基づいて、被処理水の水質指標が混合水の水質指標に対して許容範囲となるように濃縮水流量および/または透過水流量を調整することを特徴とする造水方法。
【請求項2】
前記水質指標が電気伝導度である請求項1に記載の造水方法。
【請求項3】
前記混合水の水質指標が前記被処理水の水質指標に対して許容範囲外となった場合に、アラームを鳴らすまたは水処理装置を停止させることを特徴とする請求項1または2に記載の造水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半透膜エレメントを用いた水処理装置に関し、スケール発生などの半透膜の性能低下要因を回避し、設定した回収率で運転する回収率調整方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半透膜は、荷電物質や非荷電物質を効率的に除去できるため、海水およびかん水の脱塩、医療用・工業用の純水、超純水の製造、排水処理、食品工業など幅広い分野に利用されている。この半透膜による分離処理では、半透膜を用いた膜エレメントが広く使用されている。
【0003】
図1は、半透膜エレメントを用いた膜分離システムの一実施様態を示す概略断面図である。半透膜エレメント1は、圧力容器2内に直列に複数本装填され、被処理水(原水)はポンプ3によって加圧された状態で圧力容器2に供給され、濃縮水と透過水に分離される。
【0004】
一般に、前記のような膜分離システムでは、原水中に含まれる不純物の濃度により、透過水の水質が影響を受ける。また、一部の不純物については、前記半透膜の表面付近において過度に濃縮されると、ファウリングやスケーリングといった現象による半透膜の詰まりを発生させる。ここで、ファウリングとは水中の懸濁物質、コロイド、有機物などが膜面に沈着または吸着する現象をいい、スケーリングとは水中に溶解している溶存塩類が溶解度以上に濃縮されることによって、膜面に析出して沈着する現象をいう。
【0005】
前記半透膜の表面付近において、不純物の濃縮度合いが高くなると、透過水中へリークする不純物が多くなり、透過水の水質悪化の問題が生じる。したがって前記膜分離システムにおいては、前記半透膜の表面付近で必要以上の濃縮が生じないような運転をすることにより、不純物の除去率を所定の範囲に維持し、透過水の水質悪化を抑制することが必要となる。また、前記半透膜エレメントにおける半透膜の詰まりが発生すると、水の透過流束が低下するため、透過水流量の低下が生じる。したがって、前記膜分離システムにおいては、前記半透膜の表面付近で過度の濃縮が生じないような運転をすることにより、不純物の除去率を所定の範囲に維持し、透過水の水質悪化を抑制することや、ファウリングやスケーリングを防止し、透過水流量の低下を抑制する必要がある。また、前記膜分離システムの運転おいては前記被処理水を加圧する圧力(運転圧)を変化させて透過水流量を一定に保つことが一般的であるため、前記半透膜の表面付近で過度に濃縮されると半透膜表面付近における不純物濃度の増加に従い浸透圧の上昇が起こり、運転圧が増加するためエネルギーロスが起こる。したがって前記膜分離システムにおいては、前記半透膜の表面付近で必要以上の濃縮が生じないような運転をすることにより、効率的に運転することが必要である。
【0006】
前記膜分離システムにおける運転で過度の濃縮が生じないための管理指標として、回収率を用いる。ここで回収率とは、例えば図2に示すように半透膜エレメントを備えた膜ろ過部4における被処理水流量が100L/minであり、透過水流量が20L/minである場合、被処理水流量から得られる透過水流量の比率から算出される為、回収率は20÷100×100=20%となる。また、前記膜分離システムにおいて被処理水流量は濃縮水流量と透過水流量の和であり、濃縮水流量と透過水流量は濃縮水流量計5と透過水流量計6で測定し、各流量を制御するバルブのバルブ操作によって回収率を調整することが一般的である。
【0007】
前記回収率が高い場合は、半透膜の表面付近で過度に濃縮されていることが考えられるため、前記のような半透膜の透過水質悪化や透過水流量低下、エネルギーロスが起こる可能性がある。また、前記回収率が低い場合は、原水流量における濃縮水流量の比率が高くなることにより濃縮水を過度に排水してしまうため水の有効利用が図りにくいという問題が生じる。
【0008】
従って、前記膜分離システムにおいてはその被処理水種や被処理水水質、水温などの前提条件により理想的な回収率を設定し、その回収率通りに運転することで前記の過度な濃縮および過度な濃縮水排水を生じないような運転をすることが必要である。
【0009】
透過水流量および透過水の水質を維持することを可能とする膜濾過方法として、例えば特許文献1の方法が知られている。特許文献1では、被処理水、透過水および濃縮水のいずれかの水温、もしくは被処理水の水質に基づいて、濃縮水の排水量を調節することおよび、透過水質の悪化や濾過膜の詰まり状態、劣化状態に基づいて、濃縮水の排水量を調節することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】日本国特開2006−305499号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
前述したとおり、一般的に回収率の調整においては流量計が用いられるが、実際の膜分離システムにおいては、流量計が誤差を生じることも少なくない。特に大型の流量計においては検定が困難であるため誤差を生じる可能性が高くなる。例えば、図3に示すように、前記膜分離システムからの濃縮水流量と透過水流量をそれぞれ濃縮水流量計で55L/minと透過水流量計で45L/minに調整することで運転回収率を設定回収率の45%に調整する前提の場合、濃縮水流量計に誤差が生じて表示が55L/minであるが実際の濃縮水流量が50L/minであるとすると前記膜分離システムの実際の運転回収率は47.4%となっており、設定より高回収率で運転していることとなる。このように、流量計に誤差が生じていた場合、設定どおりの回収率で運転されないこととなるため、過度の濃縮による透過水質悪化や透過水流量低下が起こってから問題が表面化することや、浸透圧上昇に伴う必要以上のエネルギーロス、過度に濃縮水排出量を多くしていることを気付かないケースが起こり得る。
【0012】
しかし、特許文献1の方法では、流量計に誤差があった場合に対応することはできないため、過度な濃縮や過剰な濃縮水排出がおこる可能性がある。また、透過水水質の悪化や濾過膜の詰まり状態、劣化状態に応じて濃縮水排出量を多くすることは、過剰な濃縮水流量の排出につながる可能性もある。
【0013】
そこで、本発明の目的は、半透膜エレメントを用いた水処理装置において、流量計に誤差が生じた場合でもそれらの要因を排除し設定どおりの回収率で運転することでエネルギーロスのない効率的な運転を行い、過度な濃縮による透過水質低下や透過水流量低下を回避し、また、必要量以上の濃縮水の排水を防止することで、前記水処理装置を長期間安定して使用しながら、節水をはかることである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
かかる課題を解決するための本発明は、以下の構成からなる。
(1)逆浸透膜またはナノろ過膜を備えた膜エレメントに被処理水を供給し、濃縮水と透過水に分離することを含む、水処理装置を用いた造水方法であって、運転時に、被処理水の水質指標、および、設定した透過水回収率に基づいた混合比で濃縮水と透過水とを混合した混合水の水質指標に基づいて、被処理水の水質指標が混合水の水質指標に対して許容範囲となるように濃縮水流量および/または透過水流量を調整することを特徴とする造水方法。
(2)前記水質指標が電気伝導度である(1)に記載の造水方法。
(3)前記混合水の水質指標が前記被処理水の水質指標に対して許容範囲外となった場合に、アラームを鳴らすまたは水処理装置を停止させることを特徴とする(1)または(2)に記載の造水方法。
【発明の効果】
【0015】
本発明の造水方法によれば、半透膜エレメントを用いた水処理装置において、流量計の誤差要因を排除し、設定どおりの回収率にて運転することができ、過度な濃縮による透過水質低下や透過水流量低下の回避、また、必要量以上の濃縮水の排水を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1図1は、半透膜エレメントを用いた水処理装置の一例を示す概略図である。
図2図2は、半透膜エレメントを用いた水処理装置における回収率の算出方法を示した図である。
図3図3は、半透膜エレメントを用いた水処理装置において流量計に誤差が生じた場合の回収率の変化について示した図である。
図4図4は、スパイラル型膜エレメントの概略構成図である。
図5図5は、本発明における、濃縮水と透過水を混合した混合水の電気伝導度と被処理水電気伝導度の相関図の一例である。
図6図6は、本発明における、流量計に誤差が生じていた場合の濃縮水と透過水を混合した混合水の電気伝導度と被処理水電気伝導度の相関に与える影響を示した相関図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれら図面に示す実施態様に限定されるものではない。
【0018】
本発明の造水方法は、逆浸透膜またはナノろ過膜(以下、半透膜という。)を備えた膜エレメントに被処理水を供給し、透過水と濃縮水とに分離する水処理装置において実施される。
【0019】
逆浸透膜(RO膜)は、分子量が数十程度の物質を濾別可能な分離膜である。またナノろ過膜(NF膜)は、2nm程度より小さい粒子や高分子の透過を阻止することができる分離膜であり、ろ過機能の点において、限外ろ過膜(UF膜:膜孔径0.01μm〜0.001μm)と逆浸透膜の中間に位置する機能を有する分離膜である。
【0020】
本発明に係る半透膜の素材には酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができる。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い分離機能層を有する複合半透膜のどちらでもよい。しかしながら、中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れた性能を有する、ポリアミドを分離機能層とした複合半透膜が好ましい。
【0021】
本発明に係る膜エレメントの形状は特に限定されないが、好ましくは図4に示す構造を有するスパイラル型膜エレメントを採用することが好ましい。スパイラル型膜エレメントの構造は、透過水流路材8を内包した袋状の半透膜7を原水流路材9を介して中心パイプ10の周囲にスパイラル状に巻囲した構造となっている。実際にはスパイラル型膜エレメントの一端にブラインシール11を設け、前記水処理装置の圧力容器に収納する。そして被処理水はポンプにより加圧された状態で、圧力容器内に供給され、透過水と濃縮水とに分離される。透過水は袋状の半透膜7内を通り、中心パイプ10を介して取り出される。濃縮水は原水流路材9(メッシュスペーサー)を通り、圧力容器外に排出される。
【0022】
このような水処理装置において、流量計の誤差影響を排除して設定した回収率(透過水回収率)にて運転するために、本発明は、運転時の被処理水の水質指標、および、設定した透過水回収率に基づいた混合比で濃縮水と透過水とを混合した混合水の水質指標をモニターし、混合水の水質指標が被処理水の水質指標に対して許容範囲外となった際に、被処理水の水質指標と等しくなるように濃縮水流量および/または透過水流量を調整することを特徴とする。また、比較する被処理水と混合水の水質指標は同一のものを使用する。かかる特徴を備えることにより、検定の困難な大型流量計を備えた水処理装置においても、測定が可能な水質指標によって流量計の誤差影響を排除した適切な回収率にて運転することが可能となるため、過度な濃縮による透過水質の悪化や透過水流量の低下を回避することができ、さらに、無駄な濃縮水の排出を抑え水の有効利用を図ることができる。
【0023】
ここでの水質指標とは、運転中の被処理水および濃縮水と透過水の混合水の水質を測定、数値比較できるものであれば特に限定されない。例えば、TOC(Total Organic Carbon:全有機炭素)やUV、SDI(Silt Density Index:シルト密度指数)などでもよい。しかし、水処理装置の運転中に得られた被処理水および混合水の水質を比較し、回収率を調整する作業を繰り返すこともあるためより簡易に測定数値が得られるものが好ましい。
【0024】
また、以降の発明の説明においては水質指標の一例であり、特に容易に測定が可能である電気伝導度を例に挙げて説明を行う。なお、本発明において、被処理水の電気伝導度、および、混合水の電気伝導度の測定はJIS K 0130(2008年)に規定される電気伝導度計を用いるものとする。また、本発明におけるモニターとは、自動および/または手動のいずれの手段で電気伝導度を測定することを含むものとする。
【0025】
例えば、図5に示すように前提として設定回収率を40%とし、水処理装置における運転回収率を40%とするために濃縮水流量を濃縮水流量計の表示値が60L/minとなるように調整し、透過水流量を透過水流量計の表示値が40L/minとなるように調整する。このときの被処理水流量は濃縮水流量と透過水流量の和であるため100L/minである。更にこのときの被処理水の電気伝導度が50000μS/cmであった場合、透過水と濃縮水を設定回収率40%に基づいてそれぞれ4:6で混合したときの混合水の電気伝導度が50000μS/cmであったとすると、被処理水電気伝導度=混合水電気伝導度となるため流量計に誤差が生じておらず実際の運転回収率は設定回収率どおりに運転されていることが分かる。
【0026】
次に、図6に示すように前提として設定回収率を40%とし、水処理装置における運転回収率を40%とするために濃縮水流量を濃縮水流量計の表示値が60L/minとなるように調整し、透過水流量を透過水流量計の表示値が40L/minとなるように調整する。しかしながら、濃縮水流量計に誤差が生じて実際の濃縮水流量が濃縮水流量計の表示値(60L/min)よりも低流量となっており、実際の濃縮水流量が50L/minで運転されていたとする。
【0027】
この時、流量計表示値に基づいて算出した被処理水流量は100L/minであり、流量計表示値に基づく運転回収率は40%であるため設定回収率どおりに適正に運転されていると判断されているが、実際の水処理装置における被処理水流量は90L/minであり、実際の運転回収率も44.4%と設定より高い回収率で運転が行われている。
【0028】
このときの被処理水の電気伝導度が50000μS/cmであり、許容範囲を500μS/cmと仮定した場合、濃縮水と透過水を設定回収率40%に基づいて6:4の比率で混合した混合水の電気伝導度は53200μS/cmとなり、被処理水の電気伝導度50000μS/cmに対して許容範囲を超えて高くなる。したがって40%に調整して運転していたつもりでも実際はより高い回収率で運転していたことがわかるため、バルブ操作によって濃縮水流量を増加させるおよび/または透過水流量を減少させることで実際の運転回収率を低下させる。その後、再度6:4に混合した混合水の電気伝導度をモニターし被処理水の電気伝導度に対して許容範囲内に収まるまで前記と同様の操作を繰り返すことで、過度な濃縮による透過水質の悪化や透過水流量の低下を回避することができる。また、逆に混合水の電気伝導度が被処理水の電気伝導度より低かった場合には、設定回収率より低い回収率で運転していることとなるため、混合水電気伝導度が被処理水電気伝導度に対し許容範囲内に収まるまでバルブ操作によって濃縮水流量を減少させるおよび/または透過水流量を増加させる操作を繰り返す事で、過度な排水による無駄を省き節水を図ることができる。
【0029】
このように、設定した透過水回収率に基づいた混合比で濃縮水と透過水を混合した混合水の電気伝導度と被処理水の電気伝導度とを対比させて、両者が許容範囲を超えて相違する場合には濃縮水流量や透過水流量を調整する作業を繰り返すことにより、検定が容易ではない大型流量計についても流量計の誤差を排除した設定どおりの回収率で運転することが可能である。
【0030】
また、設定回収率よりも高い回収率で運転している場合は、半透膜付近の過度な濃縮によって、透過水中へリークする不純物が多くなり、透過水の水質悪化が生じたり、ファウリングやスケーリングによって透過水流量の低下が生じたりすることで半透膜エレメントの寿命が大幅に短くなってしまうため、本発明において、混合水の電気伝導度が被処理水の電気伝導度に対して許容範囲を超えて高い場合には、アラームを鳴らしたりインターロックを効かせるなどして水処理装置を停止させることで早期に半透膜エレメントの性能低下要因を回避し、水処理装置の長期安定運転を実現することができる。
【0031】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、2012年3月27日出願の日本特許出願2012−071574に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明の回収率調整方法は、半透膜を使用する各種水処理装置に適用することが可能である。
【符号の説明】
【0033】
1 半透膜エレメント
2 圧力容器
3 ポンプ
4 膜ろ過部
5 濃縮水流量計
6 透過水流量計
7 半透膜
8 透過水流路材
9 原水流路材
10 中心パイプ
11 ブラインシール
図1
図2
図3
図4
図5
図6