水処理用途における限外ろ過膜のプロセス解析（I）
限外ろ過膜の透過性は温度の上昇とともに増加します。一般的に、水溶液の粘度は温度の上昇とともに低下するため、流動抵抗が減少し、それに伴って透過率が上昇します。設計においては、作業現場における供給溶液の実際の温度を考慮する必要があります。従来、限外ろ過は、水処理やその他の工業的な精製、濃縮、分離プロセスにおいて、前処理または高度処理法として用いられてきました。 水処理プロセス中空糸限外ろ過膜は、高度な浄化手段としてよく用いられます。しかし、その特性上、水源に対して一定の前処理が必要となります。水中の懸濁物質、コロイド、微生物、その他の不純物が膜表面に付着し、汚染を引き起こす可能性があるためです。
限外ろ過膜は比較的高い水透過流束を持つため、膜表面に捕捉された不純物の濃度が急速に上昇し、濃度分極が生じます。さらに深刻なことに、非常に微細な粒子が膜の細孔に入り込み、水路を詰まらせることがあります。加えて、水中の微生物とその代謝産物によって生成される粘性物質も膜表面に付着します。これらの要因はすべて、限外ろ過膜の透過性の低下と分離性能の変化につながります。同時に、限外ろ過膜の温度、pH値、濃度には一定の制限があります。ろ過水 供給。
したがって、供給要件を満たし、限外ろ過膜の寿命を延ばし、水処理コストを削減するためには、限外ろ過用水の供給において適切な前処理と水質調整が必要である。
微生物（細菌、藻類）の除去
水に微生物が含まれている場合、前処理システムに入った後、捕捉された微生物の一部が、例えば多層フィルターのろ材表面などに付着することがあります。これらの微生物が限外ろ過膜表面に付着すると、増殖して微細孔や中空糸の内腔を完全に詰まらせる可能性があります。
微生物の存在は、中空糸限外ろ過膜に極めて有害です。原水から細菌や藻類を除去することは非常に重要です。水処理プロジェクトでは、通常、NaClOやO3などの酸化剤が1～5 mg/Lの濃度で添加されます。紫外線殺菌も使用できます。実験室では、中空糸限外ろ過膜モジュールを過酸化水素（H2O2）または過マンガン酸カリウム水溶液を30～60分間循環させることで殺菌できます。
微生物処理は微生物を殺すことはできますが、水から微生物を取り除くことはできません。微生物の増殖を防ぐことしかできないのです。
流入水の濁度を低減する
水に懸濁物質、コロイド、微生物、その他の不純物が含まれていると、ある程度の濁度が生じます。この濁度は光の透過を妨げ、この光学効果は不純物の量、大きさ、形状に関係します。濁度は一般的に度数で測定され、1 mg/Lの二酸化ケイ素（SiO2）は1度の濁度を生じます。度数が高いほど、不純物の含有量が多いことを示します。
分野によって、給水濁度に対する要求は異なります。例えば、一般的な家庭用水の場合、濁度は5度を超えてはなりません。濁度測定は、原水に光を通し、水中の粒子によって反射される光の量、色、不透明度を測定するため、粒子の大きさ、数、形状などすべてが測定結果に影響を与えます。濁度と浮遊物質の関係はランダムです。濁度は、数マイクロメートルより小さい粒子を反映することはできません。
膜処理では、浄水フィルターの精密な微細構造により、分子レベル、さらにはイオンレベルの粒子まで捕捉されるため、濁度は水質の正確な指標とはなり得ません。原水の汚染傾向を予測するために、SDI（自己保持型溶存物質摂取量）試験が開発されました。
SDI値は主に水中のコロイドと懸濁物質の量を検出するために使用され、システムの流入水の水質を示す重要な指標です。SDI値は一般的に、0.21 MPaの一定の水流圧下で0.45 μmの微細孔膜を使用して測定されます。まず、500 mlの水サンプルをろ過するのに必要な時間t0を記録します。次に、同じ条件下でさらに15分間水を流し、別の500 mlの水サンプルをろ過するのに必要な時間t15を記録します。その後、次の式を使用して値を計算し、SDI = (1 - t0/t15) × 100/15とします。水中のSDI値の大きさは、おおよそコロイド汚染の程度を反映しています。井戸水はSDI 5であり、SDIの限界値は6.66…であり、前処理が必要であることを示しています。
限外ろ過技術は、SDI（固形物密度指数）を低減するのに最も効果的です。中空糸限外ろ過膜で処理された水は、SDIが0になります。しかし、SDIが高すぎる場合、特に大きな粒子が中空糸限外ろ過膜をひどく汚染する場合は、限外ろ過プロセスで前処理が必要になります。この前処理は、石英砂、活性炭、または複数のろ材を充填したフィルターを使用して行うことができます。水源によって必要なアプローチが異なるため、具体的な前処理方法に決まった公式はありません。
例えば、濁度の低い水道水や地下水の場合、5～10μmの精密フィルター（ハニカムフィルター、メルトブローフィルター、PE焼結パイプフィルターなど）を使用することで、一般的に濁度を5程度まで下げることができます。精密フィルターの前には凝集剤を添加し、二重または多層のろ材フィルターを使用する必要があります。一般的に、ろ過速度は10m/hを超えないようにし、7～8m/hが理想的です。ろ過速度が遅いほど、ろ過水の水質は向上します。
浮遊物質およびコロイド状物質の除去
粒径が 5 μm より大きい不純物については、5 μm のろ過精度を持つフィルターを使用して除去できます。しかし、0.3 ～ 5 μm の微粒子やコロイドについては、従来のろ過技術は使用が困難です。限外ろ過はこれらの粒子やコロイドを完全に除去できますが、中空糸限外ろ過膜に非常に有害です。特に、コロイド粒子は電荷を帯びており、分子やイオンの集合体です。水中のコロイドの安定性は、主に同じ電荷を持つコロイド粒子間の相互反発によるものです。
原水にコロイド粒子とは反対の電荷を持つ帯電物質（凝集剤）を添加すると、コロイド粒子の安定性が損なわれ、中和されて分散したコロイド粒子が大きな塊に凝集し、ろ過や沈殿によって容易に除去できるようになります。一般的に使用される凝集剤には、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸第一鉄、塩化第二鉄などの無機電解質があります。有機凝集剤には、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリイミドなどがあります。これらの高分子はコロイド粒子の表面電荷を中和し、水素結合や「架橋」を形成するため、凝集と沈殿が迅速に行われ、水質が大幅に改善されます。そのため、近年では高分子凝集剤が無機凝集剤に取って代わる傾向が見られます。
凝集剤を添加する際には、凝集効果を高めるために、pH調整剤（石灰や炭酸ナトリウム）、酸化剤（塩素や漂白剤）、安定剤（水溶性繊維）、吸着剤（ポリアクリルアミド）などの凝集助剤を添加することができる。
凝集剤は水溶液として調製され、定量ポンプを用いて添加されることが多いが、給水管に設置された注入器を用いて浄水処理システムに直接導入することもできる。
可溶性有機物の除去
溶解性有機物は、凝集沈殿、多層ろ過、限外ろ過では完全に除去することができません。現在では、酸化法や吸着法が一般的に用いられています。
（１）酸化法：塩素または次亜塩素酸ナトリウム（NaClO）を用いた酸化は、可溶性有機物の除去に効果的です。オゾン（O3）や過マンガン酸カリウム（KMnO4）も優れた酸化剤ですが、コストがやや高くなります。
（２）吸着法：活性炭やマクロポーラス吸着樹脂は、可溶性有機物を効果的に除去できます。しかし、吸着しにくいアルコールやフェノール類については、酸化処理が依然として必要です。