水処理用途における限外ろ過膜のプロセス

水処理用途における限外ろ過膜のプロセス

1前処理

限外ろ過は、プロセスの前処理として、または水処理やその他の工業用精製、濃縮、分離プロセスにおけるプロセスの高度な処理として使用できます。 広く使用されている水処理プロセスでは、しばしば深層浄化の手段として使用されます。 中空糸限外ろ過膜の特性に応じて、給水前処理には特定の要件があります。 水中の浮遊固体、コロイド、微生物、およびその他の不純物が膜の表面に付着するため、膜が汚染されます。 限外ろ過膜の比較的大きな水流により、膜表面に閉じ込められた不純物の濃度が急速に増加し、いわゆる濃度分極現象が生じます。 さらに深刻なことに、いくつかの非常に細かい粒子が膜の細孔に入り、水の通過を遮断します。 さらに、微生物と水中の代謝産物によって形成される粘性物質も膜の表面に付着します。 これらの要因により、限外ろ過膜の透過性が低下し、分離性能が変化する可能性があります。 同時に、限外ろ過の給水温度、PH値、および濃度には一定の制限があります。 したがって、限外ろ過膜の耐用年数を延ばし、水処理のコストを削減するには、給水要件を満たすように限外ろ過水供給を適切に前処理および調整する必要があります。

A、微生物（細菌、藻類）の死滅：

水に微生物が含まれる場合、トラップされた微生物の一部は、前処理システムに入った後、マルチメディアフィルターのメディア表面などの前処理システムに付着する場合があります。 限外ろ過膜の表面に付着すると、成長して増殖します。これにより、マイクロポアが完全にブロックされ、中空繊維の内腔が完全にブロックされることもあります。 微生物の存在は、中空糸限外ろ過膜に非常に有害です。 原水中のバクテリアや藻などの微生物は真剣に受け止めなければなりません。 水処理プロジェクトでは、NaClOやO 3などの酸化剤が通常添加され、濃度は通常1〜5 mg / lです。 さらに、UV殺菌も使用できます。 中空糸限外ろ過膜モジュールは実験室で滅菌され、過酸化水素（H 2 O 2）または過マンガン酸カリウム水溶液で30〜60分間リサイクルできます。 微生物を殺すと微生物を殺すことができますが、水から微生物を除去することはできず、微生物の成長を防ぐだけです。

B、流入する濁度を減らす：

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場合、水にはある程度の濁りがあります。 濁度は光の透過を妨げます。 この光学効果は、不純物のサイズ、サイズ、および形状に関連しています。 水の濁度は一般に腐食度で表され、1 mg / l SiO 2によって生成される濁度は1度です。 次数が大きいほど、より多くの不純物が含まれます。 さまざまな分野での給水濁度にはさまざまな要件があります。 たとえば、一般的な家庭用水では、濁度は5度を超えてはなりません。 濁度の測定は、原水から水中の粒子によって反射される光の量、色、および不透明度を測定することであるため、粒子のサイズ、量、および形状は測定に影響し、濁度と浮遊固体はランダムです。 数ミクロンより小さい粒子の場合、濁度は反映されません。

膜処理では、正確な微細構造、分子レベルまたはイオンレベルの粒子の保持、および水質を反映する濁度は明らかに不正確です。 原水汚染の傾向を予測するために、SDI値テストが開発されました。

SDI値は、主に水中のコロイドや浮遊固形物などの粒子の量を検出するために使用され、システムの流入水質を特徴付ける重要な指標です。 SDI値は一般に、0.21 MPaの一定の水流圧力下で0.45μmの細孔膜を使用して、最初に500 mlの水で水をろ過するのに必要な時間t0を記録し、次に水を流し続けて決定されます同じ条件。 15分で、500 mlの水サンプルをろ過するのに必要な時間t15を再度記録し、次の式に従って計算しました：SDI =（1-t0 / t15）×100/15

水中のSDIの値は、コロイド汚染の程度をほぼ反映しています。 井戸水はSDI <3で、地表水sdiは5を超え、sdi制限は6.66>

限外ろ過技術は、SDIの価値を下げるのに効果的です。 SDI = 0は中空糸限外ろ過膜で処理されますが、SDIが大きすぎる場合、特に大きな粒子は中空糸限外ろ過膜に深刻な汚染を与えます。 前処理は、石英砂、活性炭、またはさまざまなフィルター材料を備えたフィルターを使用して実行する必要があります。 処理プロセスに固定モードはありません。 違います。

たとえば、濁度の低い水道水または地下水には、5から10μmの精密フィルター（ハニカム型、メルトブローン型、PE焼結チューブなど）を使用できますが、これは一般に約5に削減されます。精密フィルターの前に、凝集剤を追加し、二重または多層メディアフィルターでフィルターする必要があります。 通常の状況では、ろ過速度は10m / h、7-8m / hを超えてはならず、水ろ過速度が遅くなります。 ろ過された水の品質が向上します。

C、浮遊固形物およびコロイド状物質の除去：

粒径が5μm以上の不純物については、ろ過精度5μmのフィルターを使用できますが、0.3から5μmの微粒子およびコロイドについては、上記の従来のろ過技術を使用して除去することは困難です。 限外ろ過はこれらの粒子とコロイドを完全に除去しますが、中空糸限外ろ過膜の危険性は非常に深刻です。 特に、コロイド粒子には電荷があり、これは物質分子とイオンのポリマーです。 コロイドは、主に同じ電荷のコロイド粒子が相互排除されているため、水中に安定して存在できます。 コロイド粒子の反対の帯電物質（凝集剤）を原水に加えてコロイド粒子の安定性を破壊し、帯電したコロイド粒子を中和して電気的に中性にし、分散したコロイド粒子を凝集させて大きな凝集体にします。 その後、ろ過または沈殿により比較的簡単に除去できます。 一般的に使用される凝集剤は、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です。 ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリエチレンイミンなどの有機凝集剤。 有機凝集剤ポリマーは、コロイド粒子の表面電荷を中和し、水素結合と「ブリッジ」を形成し、凝集沈降が短時間で完了するため、水質が大幅に改善されるため、近年、ポリマーは凝集剤が交換されました。 無機凝集剤のトレンド。

凝集剤の添加と同時に、凝集効果を改善するために、pH調整石灰、炭酸ナトリウム、酸化剤塩素、漂白粉末などの凝固剤、強化剤、水中移行剤、および吸着剤ポリアクリルアミドを添加することができます。

凝集剤は、水溶液として調合されることが多く、計量ポンプによって、または給水ラインに取り付けられたエジェクターを使用して水処理システムに直接添加されます。

D、可溶性有機物の除去：

凝集、マルチメディアろ過、限外ろ過では、可溶性有機物を完全に除去することはできません。 酸化法または吸引法が現在使用されています。

（1）酸化方法塩素または次亜塩素酸ナトリウム（NaSO）による酸化は、可溶性有機物の除去に適しています。 さらに、オゾン（O 3）および過マンガン酸カリウム（KMnO 4）も優れた酸化剤ですが、コストはわずかに高くなります。

（2）吸着方法活性炭または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。 ただし、吸着が困難なアルコール、フェノールなどの処理は依然として必要です。

E、水質調整：

（1）給水温度の調整

限外ろ過膜の透過性は温度に直接関係しています。 限外ろ過膜モジュールの透過速度は、通常、25°Cの純水でテストされます。 限外ろ過膜の透過速度は温度に比例し、温度係数は約0.02 / 1°Cです。つまり、温度が1°C上昇するごとに、透水性が約2.0％増加します。 そのため、給水温度が低い場合（5°C未満など）、ある種の加熱手段を使用してより高い温度で動作させ、作業効率を向上させることができます。 ただし、温度が高すぎると、膜にとっても好ましくなく、膜の性能に変化が生じる可能性があります。 このため、冷却手段を使用して給水温度を下げることができます。

（2）給水PH値の調整

異なる材料で作られた限外ろ過膜は、異なるpH範囲を持っています。 たとえば、酢酸セルロースはpH = 4〜6、PANおよびPVDF膜に適しており、水が使用範囲を超える場合はPH = 2〜12の範囲で使用できます。 現在、一般的に使用されるpH調整剤は、酸（HClおよびH 2 SO 4）およびアルカリ（NaOHなど）です。

溶液中の無機塩は限外ろ過膜を通過できるため、無機塩の濃度分極とスケーリングの問題はありません。 したがって、前処理の水質調整のプロセスでは、膜への影響は通常考慮されず、重要な層はゲル層です。 形成、膜の汚れ、目詰まりの問題。

2つの動作パラメータ

操作パラメータの適切な制御と実行は、限外ろ過システムの長期かつ安定した操作のために非常に重要です。 動作パラメータには一般に、流量、圧力、圧力降下、濃縮水排出、回収率、温度が含まれます。

A、流量：

流量は、膜表面の原液（供給水）の流れの線形速度であり、限外ろ過システムでの限外ろ過の重要な操作パラメーターです。 流量が大きい場合、エネルギーの浪費と過度の圧力低下を引き起こすだけでなく、限外ろ過膜の分割性能の低下も促進します。 逆に、流速が小さい場合、保持液の表面に形成される境界層の厚さが増加し、濃度分極を引き起こし、透過率と透過液品質の両方に影響します。 流量は実験的に決定されます。 中空糸限外ろ過膜では、入口圧力が0.2 MPa未満に維持されると、内膜の流量はわずか0.1 m / sになり、流速の流れパターンは完全に層流状態になります。 外側圧力膜は、大きな流量を得ることができます。 毛細管型限外濾過膜の場合、毛細管直径が3 mmの場合、流速を適切に増加させることができ、これは濃縮境界層を減少させるのに有利です。 2つの問題を指摘する必要があります。 1つは、流量を任意に決定できないことです。 入口圧力は、原液の流量に関連しています。 2つ目は、中空糸または毛細管膜の場合、入口端で流速が一定しないことです。 濃縮水流が元の液体10 At％の場合、出口端の流量は入口端の約10％です。 さらに、圧力の増加により透過液の量が増加し、流量の増加は最小限に抑えられます。 したがって、キャピラリーの直径を大きくし、濃縮水の排出量（戻り流量）を適切に増やすと、特に電気泳動塗料の回収などの限外ろ過濃縮プロセスで、限外ろ過速度を効果的に上げることができる流量を改善できます。

許容圧力範囲内で、供給される水の量を増やし、最高流量を選択することは、中空糸限外ろ過膜の性能にとって有益です。

B、圧力および圧力降下：

中空糸限外ろ過膜の使用圧力範囲は0.1〜0.6 MPaです。これは、限外ろ過の定義で処理溶液に通常使用される使用圧力です。 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備えた限外ろ過膜を使用する必要があり、動作圧力も異なります。 一般に、成形シェルの中空糸内圧フィルムの耐圧は0.3 MPa未満であり、中空糸の圧縮強度は一般に0.3 MPa未満であるため、作動圧力は0.2 MPa未満である必要があり、フィルムの両側の圧力差は0.1 MPa以下でなければなりません。 。 外圧中空糸限外ろ過膜の圧縮強度は0.6MPaに達することがありますが、プラスチック製シェルの外膜モジュールの場合、作動圧力も0.2MPaです。 内側の圧力膜は直径が大きいため、外側の圧力膜として使用すると、ジョイントで押しつぶされて切断されやすくなり、損傷が発生するため、内側の圧力膜と外側の圧力膜は普遍的ではありません。

限外ろ過液が次のプロセスで使用するために一定の圧力を必要とする場合、ステンレス鋼外膜限外ろ過膜モジュールを使用する必要があります。 中空糸限外ろ過膜モジュールは最大0.6 MPaの圧力まで使用でき、限外ろ過液の圧力は最大30 mまで可能です。 つまり、0.3MPaの圧力ですが、中空糸限外ろ過膜の内側と外側の圧力差は0.3MPaを超えないようにする必要があります。

使用圧力を選択するときは、膜と外側ケーシングの耐圧性に加えて、膜の圧縮と膜の耐汚染性を考慮する必要があります。 圧力が高いほど、水の透過性が大きくなり、対応するトラップされた物質が膜の表面積に蓄積します。 さらに、抵抗が大きいほど、透水率の減衰が大きくなります。 さらに、膜の細孔に入る粒子も通過をブロックする傾向があります。 要約すると、可能な場合、より低い作動圧力を選択することは、膜性能の完全な性能にとって有利です。

中空糸限外ろ過膜モジュールの圧力降下は、原液の入口の圧力と濃縮液の出口の圧力の差を意味します。 圧力降下は、供給される水の量、流量、排出される濃縮水の量に密接に関連しています。 特に、内圧型中空糸または毛細管型限外ろ過膜では、水流方向に沿った膜表面の流速と圧力が徐々に変化します。 給水量、流量、濃縮水の排出量が多いほど、圧力降下が大きくなり、必要な作動圧力に達しない下流の膜表面の圧力が大きくなります。 膜モジュールの総水生産量が影響を受けます。 実際のアプリケーションでは、圧力降下をできるだけ制御する必要があります。 走行時間が長くなると、汚れの蓄積により水流の抵抗が増加し、圧力損失が増加します。 圧力降下が0.05 MPaの初期値よりも高い場合は、洗浄する必要があります。 、水路をdrする。

C、回収率および濃縮水排出：

限外ろ過システムでは、回収率と濃縮水の濃度は、相互に制約する要因のペアです。 回収率は、供給量を通過する水の量の比率を指し、排出される濃縮水の量は、膜を通して排出される水の量を指します。 供給される水の量は濃縮水の量と透過水の量の合計に等しいため、濃縮水の量が多い場合、回収率は比較的小さい。 限外ろ過システムの正常な動作を確保するために、成分の最小濃縮水排出量と最大回収率を指定する必要があります。 一般的な水処理工学では、中空糸限外ろ過膜モジュールの回収率は約50〜90％です。 この選択により、供給液の組成と状態、つまりトラップできる物質の量、フィルムの表面に形成されたファウリング層の厚さ、および量への影響に基づいて回収率が決定されます。浸透した水の。 ほとんどの場合、より小さい回収率の操作を使用することも可能であり、濃縮液は原液系に戻され、循環量が増加してファウリング層の厚さが減少し、それにより透水率が増加します、単位水の生産量を増やさない場合があります。 エネルギー消費。

D、動作温度：

限外ろ過膜の水透過性は、温度の上昇とともに増加します。 一般に、水溶液の粘度は温度とともに低下し、それにより流動抵抗が減少し、それに応じて透水性が増加します。 現場での供給液の実際の温度は、エンジニアリング設計で考慮する必要があります。 特に季節の変化については、温度が低すぎるときに温度調整を考慮する必要があります。 そうしないと、温度変化に伴い透水性が約50％変化する可能性があります。 さらに、温度が高すぎると膜の性能に影響します。 一般に、中空糸限外ろ過膜の操作温度は25±5°Cである必要があります。 より高い温度で作業する必要がある場合は、高温耐性膜材料と外側ケーシング材料を選択できます。