水処理用途における限外ろ過膜のプロセス解析（II）
水道水の水質 調整
【給水温度の調整】
透過性 限外ろ過膜透過速度は温度に直接関係します。限外ろ過膜モジュールの透過速度は、一般的に25℃の純水で試験されます。限外ろ過膜の透過速度は温度に正比例し、温度係数は約0.02/1℃です。つまり、温度が1℃上昇するごとに、透過速度は約2.0%増加します。したがって、給水温度が低い場合（例えば5℃未満）、加熱対策を用いてより高い温度で運転することで効率を向上させることができます。しかし、過度に高い温度は膜にも悪影響を及ぼし、膜性能の変化につながります。この場合は、冷却対策を用いて給水温度を下げることができます。
【給水pHの調整】
異なる材料で作られた限外ろ過膜は、それぞれ異なるpH範囲を持っています。例えば、酢酸セルロース膜はpH4～6に適していますが、PAN膜やPVDF膜はpH2～12の範囲で使用できます。流入液がこの範囲を超える場合は、調整が必要です。一般的に使用されるpH調整剤には、酸（HClおよびH₂SO₄）とアルカリ（NaOH）があります。溶液中の無機塩は限外ろ過膜を透過できるため、無機塩による濃度分極やスケール形成の問題はありません。したがって、前処理水質調整プロセスでは、無機塩が膜に与える影響は通常考慮されません。重点は、コロイド層の形成、膜の汚染、目詰まりの防止に置かれています。
運転パラメータの適切な習得と実行 運転パラメータは、超高速機の長期的かつ安定した運転にとって極めて重要です。ろ過システムこれらのパラメータには、一般的に、流量、圧力、圧力降下、濃縮物排出速度、回収率、温度などが含まれます。
A.
流量：流量とは、膜表面を流れる供給液（供給水）の線速度を指します。これは限外ろ過システムにおいて重要な運転パラメータです。流量が高すぎると、エネルギーの浪費や過剰な圧力損失が発生するだけでなく、限外ろ過膜の破断性能の劣化も加速します。逆に、流量が低すぎると、膜表面に形成される境界層の厚さが増加し、濃度分極が生じ、透過速度と透過液品質の両方に影響を与えます。最適な流量は実験的に決定されます。
中空糸限外ろ過膜は、入口水圧を0.2 MPa以下に維持した場合、内部圧力下での流速はわずか0.1 m/sとなり、完全な層流パターンを示します。外部圧力膜では、より高い流速を実現できます。毛細管限外ろ過膜の場合、毛細管径が3 mmに達すると流速を適切に増加させることができ、濃度境界層の低減に有効です。
2つの点を指摘する必要があります。まず、流速は入口圧力と供給液流量に関係するため、任意に決定することはできません。次に、中空糸膜や毛細管膜の場合、入口端での流速は一定ではありません。濃縮液流量が供給液流量の10%の場合、出口速度は入口速度の約10%になります。さらに、圧力を上げると透過液流量は増加しますが、流速の増加にはほとんど寄与しません。したがって、毛細管径を大きくし、濃縮液排出速度（循環流量）を適切に増加させることで流速を向上させることができます。特に、電気泳動塗料の回収などの限外濾過濃縮プロセスでは、限外濾過速度を効果的に向上させることができます。
許容圧力範囲内では、給水量を増やし、最大流量を選択することは、中空糸限外ろ過膜の性能を確保する上で有益である。
B.
圧力と圧力損失：中空糸限外ろ過膜の運転圧力範囲は0.1～0.6 MPaで、これは一般的に限外ろ過の定義領域内の溶液を処理するために通常使用される運転圧力を指します。異なる分子量の物質を分離するには、対応する分子量カットオフを持つ限外ろ過膜を選択する必要があり、そのため運転圧力も異なります。一般的に、プラスチックシェルを備えた中空糸内圧膜の場合、シェルの耐圧は0.3 MPa未満であり、中空糸の耐圧も一般的に0.3 MPa未満です。したがって、運転圧力は0.2 MPa未満である必要があり、膜の両端の圧力差は0.1 MPaを超えてはなりません。外圧中空糸限外ろ過膜は最大0.6 MPaの圧力に耐えることができますが、プラスチックシェル外圧膜モジュールの場合、運転圧力も0.2 MPaです。内圧膜は外圧膜よりも直径が大きいため、外圧膜として使用すると接合部で容易に潰れたり切断されたりして損傷する可能性があることを指摘しておかなければならない。したがって、内圧膜と外圧膜は互換性がない。
限外濾過液を次の工程で使用するために一定の圧力が必要な場合は、ステンレス鋼製ケースの限外濾過膜モジュールを使用する必要があります。この中空糸限外濾過膜モジュールは、0.6 MPaの圧力で運転でき、30 m水柱、すなわち0.3 MPaの圧力で限外濾過液を供給できます。ただし、中空糸限外濾過膜の内外の圧力差は0.3 MPa以下に維持する必要があります。
運転圧力を選択する際には、膜とケーシングの耐圧性に加えて、膜の圧縮性と汚染耐性も考慮する必要があります。圧力が高くなると透過液流量は増加しますが、膜表面に捕捉物質が蓄積しやすくなり、抵抗が増加して透過速度が低下します。さらに、膜の微細孔に入り込んだ粒子がチャネルを詰まらせる可能性が高くなります。つまり、可能な限り低い運転圧力を選択することが、膜の性能を最大限に引き出す上で有益です。
中空糸限外ろ過膜モジュールの圧力損失とは、供給液入口の圧力と濃縮液出口の圧力の差を指します。圧力損失は、給水量、流量、および濃縮液排出量と密接に関係しています。特に、内圧式中空糸膜または毛細管限外ろ過膜の場合、膜表面の流速と圧力は水の流れ方向に沿って徐々に変化します。供給水量、流速、および濃縮液排出量が大きいほど圧力損失は大きくなり、下流側の膜表面圧力が要求される運転圧力に達しない結果となります。これは、膜モジュールの総水生産量に影響を与えます。実際の使用においては、圧力損失が過剰にならないように制御する必要があります。運転時間が長くなると、ファウリングによって流れ抵抗が増加し、圧力損失が大きくなります。圧力損失が初期値より0.05 MPa以上高くなった場合は、水路の洗浄と詰まりの解消が必要です。
C.
回収率と濃縮液排出量：限外ろ過システムにおいて、回収率と濃縮液排出量は相互に制約し合う要素です。回収率とは透過水と供給水の比率を指し、濃縮液排出量とは透過前に排出される水の量を指します。供給水量は濃縮液量と透過水量の合計であるため、濃縮液排出量が多いほど回収率は低くなります。限外ろ過システムの正常な運転を確保するためには、モジュールの最小濃縮液排出量と最大回収率を規定する必要があります。
一般的な水処理プロジェクトでは、中空糸限外ろ過膜モジュールの回収率は約50～90%です。回収率は、供給液の組成と状態、除去可能な物質量、膜表面に形成されるファウリング層の厚さ、透過流量への影響など、さまざまな要因によって決まります。多くの場合、回収率を低く設定し、濃縮液を供給系に戻すことができます。これにより循環量が増加し、ファウリング層の厚さが減少するため、透過流量が向上します。場合によっては、透過液生産量あたりのエネルギー消費量を増やすことなく、透過流量を改善できることもあります。
D.
運転温度：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、透過速度が向上します。設計段階では、作業現場における供給液の実際の温度を考慮する必要があります。
特に季節変動がある時期には、温度が低すぎる場合は温度調節を考慮する必要があります。そうしないと、透過率が温度変化によって約50%も変動する可能性があります。さらに、過度に高い温度も膜の性能に影響を与えます。通常、中空糸限外ろ過膜の動作温度は25±5℃です。より高い温度条件が必要な場合は、耐熱性の高い膜材料とシェル材料を選択できます。