(57)【要約】【課題】多段逆浸透膜処理において、安定性を損なうことなく、処理水質を向上させる。【解決手段】原水タンク１内の原水を第１ポンプ２で加圧して１段目の第１逆浸透膜装置３に供給し、濃縮水を排出し、透過水を配管４によって中間タンク５に導入する。この中間タンク５中の水を第２ポンプ６によって加圧して２段目の第２逆浸透膜装置７に供給し、透過水を配管８によって取出し、濃縮水を配管９によって原水タンク１に戻す。逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みは、１段目では０．６ｍｍよりも大きく、２段目では０．６ｍｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
袋状の逆浸透膜を原水スペーサと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントを備えた逆浸透膜装置を多段に設置してなり、前段の逆浸透膜装置の処理水を後段の逆浸透膜装置で処理する多段逆浸透膜装置において、
１段目の逆浸透膜装置の膜エレメントの原水スペーサの厚みが０．６ｍｍより大きく、２段目以降の逆浸透膜装置の膜エレメントの原水スペーサの厚みが０．６ｍｍ以下であることを特徴とする多段逆浸透膜装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多段逆浸透膜装置において、１段目の逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みが０．７〜２ｍｍであり、２段目以降の逆浸透膜装置の膜エレメントの原水スペーサの厚みが０．２〜０．６ｍｍであることを特徴とする多段逆浸透膜装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の多段逆浸透膜装置を運転する方法において、１段目の逆浸透膜装置の透過流束を１．０ｍ／ｄ以下とし、２段目以降の逆浸透膜装置の透過流束を１．１ｍ／ｄ以上とすることを特徴とする多段逆浸透膜装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜装置を直列に多段に設置した多段逆浸透膜装置と、その運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水淡水化、超純水製造、工業用水の処理などにおいて、原水中のイオン類や有機物などを除去するために逆浸透膜装置が広く使用されている。逆浸透膜装置を用いて処理を行う際、処理水水質を向上させるために、複数の逆浸透膜装置を多段に設置し、前段の逆浸透膜装置の処理水を後段の逆浸透膜処理装置で処理することは良く知られている（例えば特許文献１，４）。海水淡水化の場合は、ホウ素を除去するために、二段以上の逆浸透膜処理が行われており、超純水製造プラントにおいても、逆浸透膜による多段処理は一般的に行われている（例えば特許文献２）。
【０００３】
逆浸透膜の構造としてはスパイラル構造と呼ばれる膜構造のモジュールが一般的に知られている。従来から使用されているスパイラル型膜エレメントの一例は、透過水スペーサの両面に逆浸透膜を重ね合わせて３辺を接着することにより袋状膜を形成し、該袋状膜の開口部を透過水集水管に取り付け、網状の原水スペーサと共に、透過水集水管の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成されている（特許文献３，４）。巻回された袋状膜間に配設される原水スペーサにより原水経路が形成される。原水はスパイラル型膜エレメントの一方の端面側から供給され、原水スペーサに沿って流れ、スパイラル型膜エレメントの他方の端面側から濃縮水として排出される。原水は原水スペーサに沿って流れる過程で、逆浸透膜を透過して透過水となり、この透過水は透過水スペーサに沿って透過水集水管の内部に流れ込み、透過水集水管の端部から取り出される。原水スペーサの厚みは、特許文献３の００１８段落には０．４〜２ｍｍ程度が好ましいと記載され、特許文献４の００１７段落には０．４〜３ｍｍが好ましいと記載されている。
【０００４】
逆浸透膜装置を用いて海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みを大きくすると、濁質が原水流路を閉塞しにくくなり、濁質蓄積による通水差圧の上昇や透過水量、透過水質の低下を回避し、長期間に亘り安定して運転を行うことができる。しかしながら、原水スペーサの厚みを大きくすると、原水流路における原水の流速が小さくなるため、水中に含まれるイオン類や有機物類が膜表面で過剰濃縮され（濃度分極）、溶質の濃縮による除去率の低下や、膜への汚染物質吸着によるフラックス低下を引き起こしやすくなる。一方、原水スペーサの厚みを小さくすると、流速は増大し、逆浸透膜表面での過剰濃縮は起こりにくくなり、処理水質は向上するが、被処理水に含まれる濁質が原水流路を閉塞しやすくなり（特許文献４の００１７段落）、安定性の面で問題があった。そのため、現在の市販されている逆浸透膜のスペーサの厚みは０．７〜０．９ｍｍ程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１２５３９５
【特許文献２】特開２００２−１０６９
【特許文献３】特開平１１−５７４２９
【特許文献４】特開２００４−８９７６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、海水淡水化処理や超純水製造等に用いられる多段逆浸透膜処理において、安定性を損なうことなく、処理水質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の多段逆浸透膜装置は、袋状の逆浸透膜を原水スペーサと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントを備えた逆浸透膜装置を多段に設置してなり、前段の逆浸透膜装置の処理水を後段の逆浸透膜装置で処理する多段逆浸透膜装置において、１段目の逆浸透膜装置の膜エレメントの原水スペーサの厚みが０．６ｍｍより大きく、２段目以降の逆浸透膜装置の膜エレメントの原水スペーサの厚みが０．６ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の多段逆浸透膜装置の運転方法は、かかる本発明の多段逆浸透膜装置を運転する方法であって、１段目の逆浸透膜装置の透過流束を１．０ｍ／ｄ以下とし、２段目以降の逆浸透膜装置の透過流束を１．１ｍ／ｄ以上とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の多段逆浸透膜装置では、１段目の逆浸透膜装置が原水スペーサとして厚みの大きいものを用いており、濁質が原水流路を閉塞しにくくなり、濁質蓄積による通水差圧の上昇や透過水量、透過水質の低下を回避し、長期間に亘り安定な運転を行うことができる。２段目以降の逆浸透膜装置では、原水スペーサとして厚みの小さいものを用いており、原水流路における流速が増大し、逆浸透膜表面での過剰濃縮が起こりにくくなり、処理水質が向上する。この２段目以降の逆浸透膜装置に通水される被処理水は、１段目逆浸透膜装置で濁質が除去されたものであるので、２段目以降の逆浸透膜装置では膜閉塞の恐れがない。
【００１０】
また、２段目以降の逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みを小さくすることにより、１エレメントあたりの膜面積を大きくすることができる。透過流束を大きくすることと併せて、２段目以降の膜エレメントの本数を削減することができ、コスト低減を図ることができる。
【００１１】
また、本発明者は、逆浸透膜の真の阻止率は、透過流束に依存することを見出した。本発明方法は、２段目以降の逆浸透膜装置の運転透過流束を１段目よりも大きくすることにより、膜の除去率を向上させるようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る多段逆浸透膜装置の系統図である。
【図２】原水スペーサの厚みを変えた場合におけるブライン（濃縮水）流量と濃縮倍率との関係を示すグラフである。
【図３】透過流束と真の阻止率の関係を示すグラフである。
【図４】試験用平膜セルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図１を参照して本発明の実施の形態に係る多段逆浸透膜装置について説明する。この多段逆浸透膜装置では、原水タンク１内の原水を第１ポンプ２で加圧して１段目の第１逆浸透膜装置３に供給し、濃縮水を排出し、透過水を配管４によって中間タンク５に導入する。この中間タンク５中の水を第２ポンプ６によって加圧して２段目の第２逆浸透膜装置７に供給し、透過水を配管８によって取出し、濃縮水を配管９によって原水タンク１に戻す。
【００１４】
１段目及び２段目の逆浸透膜装置３，６はいずれもスパイラル型膜エレメントを備えている。スパイラル型膜エレメントは透過水スペーサを内部に収容した袋状分離膜を原水スペーサを重ねて集水管にスパイラル状に巻回したスパイラル型膜エレメントである。なお、前記特許文献３の図２のように、集水管の代わりにシャフトを用い、側辺の一部に透過水取出口を有した袋状膜を該シャフトに巻回したスパイラル型膜エレメントを用いてもよい。また、本発明では、スパイラル型膜エレメントに限らず平膜型エレメントなどを用いてもよい。逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みは、１段目では０．６ｍｍよりも大きく、２段目では０．６ｍｍ以下である。
【００１５】
なお、図１では逆浸透膜装置が２段に設けられているが、３段以上に設けられてもよい。３段目以降の逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みは０．６ｍｍ以下である。
【００１６】
逆浸透膜は、海水淡水化用、低圧用、超低圧用、超々低圧用などのいずれでもよい。逆浸透膜の膜の材質としては特に制限はなく、酢酸セルロース、ポリアミドなどのいずれでもよく、必要とされる除去率とフラックスに応じて適宜選択すればよい。阻止率の高い膜エレメントを用いる場合には、フェニレンジアミンと酸クロライドで合成した芳香族ポリアミドの逆浸透膜を採用するのが好ましい。
【００１７】
原水スペーサとしては、ポリエチレンやポリプロピレン等の合成樹脂製の、同一、あるいは異なる直径（線径）を有する複数の線材が等間隔に並べられ、４５度〜９０度の角度で交差するように重ねられることにより形成されるメッシュスペーサなどを用いることができる。原水スペーサの空孔率は６０％以上９５％以下であることが好ましい。それにより、十分な攪拌効果により濃度分極を十分に抑制することができる。
【００１８】
原水スペーサのメッシュの大きさは１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。それにより、十分な攪拌効果により濃度分極を抑制するとともに、原液の流路抵抗の増加を抑制し、高い分離膜性能を得ることができる。なお、原水スペーサはメッシュスペーサに限定されない。例えば、前記特許文献４の図６のようにジグザグ状線材よりなるものであってもよい。
【００１９】
１段目の逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みは、濁質閉塞を防止するために、０．６ｍｍより大きくし、好ましくは０．７ｍｍ以上とする。ただし、原水スペーサの厚みを大きくしすぎると濃度分極が大きくなり、除去率が低下するため、２．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
２段目以降の逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みは０．６ｍｍ以下である。図２は様々な厚みの原水スペーサを用いた場合の直径８インチのスパイラル型逆浸透膜モジュールにおけるＮａＣｌの濃度分極の程度を表したものである。図２の通り、０．６ｍｍ以上の厚みのスペーサは、濃度分極の影響が大きくなり、膜面濃度と平均バルク濃度の比が濃縮水量が２ｍ３／ｈ以上で１．２倍を超えるため、好ましくない。原水スペーサの厚みが０．６ｍｍ以下であると、濃度分極を防止でき、良好な処理水水質を得ることができる。ただし、原水スペーサの厚みは、０．２ｍｍよりも小さいと、通水抵抗が大きくなりすぎるため、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。従って、２段目以降の逆浸透膜装置の原水スペーサの厚みは０．２〜０．６ｍｍ特に０．２〜０．５ｍｍ、とりわけ０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
袋状膜内に設置される透過水スペーサの厚みとしては、特に制限はないが、０．１〜０．２５ｍｍが好適に使用される。透過水スペーサが厚過ぎると、原水スペーサと同様にエレメントあたりの膜面積が小さくなり、薄過ぎると差圧が大きくなって、透過水量が小さくなる。
【００２２】
図３に示すように、ＮａＣｌの真の阻止率は透過流束に依存し、透過流束が大きくなると真の阻止率は増加する。２段目の逆浸透膜装置の透過流束は１．１〜２．０ｍ／ｄであることが好ましい。１．１ｍ／ｄ以上であると真の除去率が９９．９％を超え、水質向上の点で好ましい。透過流束が過度に小さいと、真の阻止率が低くなり、水質が低下するため好ましくない。２．０ｍ／ｄ以上であると膜の耐圧性の問題や、透過水の通水抵抗が高くなることなどから好ましくない。除去対象とする物質によって真の阻止率は異なるが、どのような物質であってもその物質の真の阻止率は透過流束に依存するため、ＮａＣｌにおいて、真の阻止率を高くすることで、その他の物質についても高い阻止率を得ることができる。
【００２３】
１段目の逆浸透膜装置の透過流束は０．２〜１．０ｍ／ｄであることが好ましく、０．６〜０．８ｍ／ｄであることがさらに好ましい。透過流束が１．０ｍ／ｄ以上であると膜のファウリング、閉塞速度が大きくなり、洗浄頻度が多くなる。そのたびに装置も停止せねばならず、経済的でない。０．２ｍ／ｄ未満であると、膜の本数が大きくなり、経済的ではない。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例及び比較例について説明する。なお、以下の実施例及び比較例では、図１に示すフローの多段逆浸透膜装置を用いたが、逆浸透膜装置３，７としては、図４に示す試験用平膜セルを用いた。
【００２５】
図４に示す平膜セルは、アクリル製の流路形成部材２１，２２，２３、ＳＵＳ製耐圧補強部材２４，２５を組み合わせて形成された空間内に、原水スペーサ１１と透過水スペーサ１２を逆浸透膜１０を介して積層した膜ユニットを保持する構成とされている。
【００２６】
原水は、原水流入口１３から逆浸透膜１０の一次側に流入して原水スペーサ１１に沿って流れ、その間に逆浸透膜１０を透過した透過水は、透過水スペーサ１２を経て透過水流出口１５から取り出される。また、濃縮水は濃縮水流出口１４から取り出される。
【００２７】
［実施例１］
工業用水を凝集及び濾過した水（ＴＯＣ濃度５００ｐｐｂ（０．５ｍｇ／Ｌ））を原水として用い、図１に示すフローの多段逆浸透膜装置に通水した。
【００２８】
１段目の逆浸透膜装置３の逆浸透膜として、市販の８インチスパイラル型逆浸透膜エレメントを想定し、日東電工製逆浸透膜ＥＳ２０から平膜を幅５０ｍｍ×長さ８００ｍｍに切り抜き、厚み０．７１ｍｍのポリプロピレン製原水スペーサ（線径０．２５〜０．３６ｍｍ、目開き２．６ｍｍ）とともに図４の通り、ＳＵＳ製通水セルに充填した。また、２段目の逆浸透膜装置７も、同様の逆浸透膜エレメントを想定し、日東電工製逆浸透膜ＥＳ２０から平膜を幅５０ｍｍ×長さ８００ｍｍに切り抜き、厚み０．６０ｍｍのポリプロピレン製原水スペーサ（線径０．２〜０．３ｍｍ、目開き２．２ｍｍ）とともに図４の通りＳＵＳ製通水セルに充填した。上記の１段目、２段目用の膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積はそれぞれ、４１．８ｍ２、４６．０ｍ２となる。
【００２９】
１段目の逆浸透膜装置に、透過流束０．６ｍ／ｄ、濃縮水として８インチエレメント換算で３．６ｍ３／ｈになるように通水し、２段目の逆浸透膜装置に、透過流束１．０ｍ／ｄ、８インチエレメント換算で３．６ｍ３／ｈになるように通水した。通水５００時間後の２段目処理水（２段目逆浸透膜装置透過水）のＴＯＣ濃度と、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表１に示す。
【００３０】
［実施例２］
２段目の逆浸透膜の透過流束を１．１ｍ／ｄとしたこと以外は実施例１と同一の条件で試験を行った。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度と、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表１に示す。
【００３１】
［実施例３］
２段目の逆浸透膜の原水スペーサとして、線径０．１５〜０．２５ｍｍ、目開き２．０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのものを用いたこと以外は実施例１と同一の条件で試験を行った。なお、この膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積は５０．２ｍ２となる。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表１に示す。
【００３２】
［実施例４］
２段目の逆浸透膜装置の透過流束を１．１ｍ／ｄとしたこと以外は実施例３と同一の条件で試験を行った。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表１に示す。
【００３３】
［実施例５］
２段目の逆浸透膜の透過流束を１．３ｍ／ｄとしたこと以外は実施例３と同一の条件で試験を行った。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表１に示す。
【００３４】
［実施例６］
１段目の逆浸透膜の透過流束を１．１ｍ／ｄとしたこと以外は実施例１と同一の条件で試験を実施した。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表１に示す。
【００３５】
［比較例１］
２段目の逆浸透膜の原水スペーサとして、線径０．２５〜０．３６ｍｍ、目開き２．６ｍｍ、厚み０．７１ｍｍのものを用いたこと以外は実施例１と同一の条件で試験を実施した。なお、この膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積は４１．８ｍ２となる。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度と、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）、及び１段目エレメントの差圧を測定した。結果を表１に示す。
【００３６】
［比較例２］
１段目の逆浸透膜の原水スペーサとして、線径０．２〜０．３ｍｍ、目開き２．２ｍｍ、厚み０．６ｍｍのものを用いたこと以外は実施例１と同一の条件で試験を実施した。なお、この膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積は４１．８ｍ２となる。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度と、換算透過水量（０．７５ＭＰａ換算時の透過流量）、及び１段目エレメントの差圧を測定した。結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示す通り、実施例１〜６によれば、処理水ＴＯＣ濃度が低く、高純度の水質を得ることができる。実施例６については、１段目の透過流束が他の例よりも高いため、５００時間後の透過流束に低下が見られる。比較例１は従来の処理方法である。比較例２は処理水質は従来よりも良いが、１段目の逆浸透膜の原水スペーサを薄くしたため、１段目の逆浸透膜のエレメント差圧が早期に上昇し、安定性が低い。
【００３９】
［実施例７］
１段目の逆浸透膜装置３の逆浸透膜として、市販の８インチ逆浸透膜エレメントを想定し、日東電工製逆浸透膜ＥＳ２０から平膜を幅５０ｍｍ×長さ８００ｍｍに切り抜き、厚み０．８６ｍｍのポリプロピレン製原水スペーサ（線径０．３〜０．４３ｍｍ、目開き３．０ｍｍ）とともに図４の通りＳＵＳ製通水セルに充填した。また、２段目の逆浸透膜装置７の逆浸透膜として、日東電工製逆浸透膜ＥＳ２０から平膜を幅５０ｍｍ×長さ８００ｍｍに切り抜き、厚み０．６０ｍｍのポリプロピレン製原水スペーサ（線径０．２〜０．３ｍｍ、目開き２．２ｍｍ）とともに図４の通りＳＵＳ製通水セルに充填した。このときの１段目、２段目用の膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積はそれぞれ、３７．１ｍ２、４６．０ｍ２である。
【００４０】
原水として生物処理水を凝集濾過した水（ＴＯＣ濃度１１００ｐｐｂ（１．１ｍｇ／Ｌ）を用い、１段目の逆浸透膜装置に透過流束０．６ｍ／ｄ、濃縮水として８インチエレメント換算で３．６ｍ３／ｈになるように通水し、２段目の逆浸透膜装置に透過流束１．０ｍ／ｄ、８インチエレメント換算で３．６ｍ３／ｈになるように通水した。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（0.75MPa換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表２に示す。
【００４１】
［比較例３］
２段目の逆浸透膜の原水スペーサとして、線径０．２５〜０．３６ｍｍ、目開き２．６ｍｍ、厚み０．７１ｍｍのものを用いたこと以外は実施例７と同一の条件で試験を行った。なお、この膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積は４１．８ｍ２となる。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（0.75MPa換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表２に示す。
【００４２】
［比較例４］
１段目の逆浸透膜の原水スペーサとして、線径０．２５〜０．３６ｍｍ、目開き２．６ｍｍ、厚み０．７１ｍｍのものを用いたこと以外は比較例３と同一の条件で試験を行った。なお、この膜エレメントを８インチ逆浸透膜装置に充填した場合、膜面積は４１．８ｍ２となる。通水５００時間後の処理水ＴＯＣ濃度、換算透過水量（0.75MPa換算時の透過流量）及び１段目エレメントの差圧を表２に示す。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
表２に示す通り、実施例７によると比較例３よりも優れた処理水質、高い透過水量を得ることができた。比較例４は１段目のエレメントの差圧上昇が見られ、安定性が悪化する結果となった。
【００４５】
以上の実施例及び比較例からも明らかな通り、本発明の多段逆浸透膜装置によると、１段目及び２段目逆浸透膜装置に同一厚みの原水スペーサを用いた多段逆浸透膜装置よりも高純度の処理水を得ることができ、安定性を損なうことなく、水質向上が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  原水タンク
３  １段目逆浸透膜装置
７  ２段目逆浸透膜装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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