(57)【要約】【課題】  清澄水を原水としてろ過運転を行う場合に、原水中の微細な濁質がろ過層の孔内部に浸入すること及び溶解性成分がろ過層に吸着することを防止し、従来品よりも薬液洗浄の頻度を低減することができる清澄水の膜ろ過用ろ過膜を提供する。【解決手段】細孔径が０.０１〜３μmのろ過層３の表面にろ過層３よりも１.５〜１０倍大きい細孔径を持つ表面層４を形成する。原水が表面層４を通過する間に、原水中の微細な濁質及び溶解性成分が吸着・捕捉されてプリコート層のような層を形成し、原水中の微細な濁質がろ過層の孔内部に浸入すること及び溶解性成分がろ過層に吸着することを防止する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔径が０.０１〜３μmのろ過層の表面に、ろ過層よりも大きい細孔径を持つ表面層を形成したことを特徴とする清澄水の膜ろ過用ろ過膜。
【請求項２】
表面層の細孔径が、ろ過層の細孔径の１.５〜１０倍であることを特徴とする請求項１記載の清澄水の膜ろ過用ろ過膜。
【請求項３】
材質がセラミックスであることを特徴とする請求項１または２記載の清澄水の膜ろ過用ろ過膜。
【請求項４】
表面層がアルミナ、チタニア、ジルコニア、ムライト、ジルコンを主成分とする粒子を骨材として含むことを特徴とする請求項３記載の清澄水の膜ろ過用ろ過膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、清澄水(例えば、伏流水、井戸水、湧水など)を原水とした膜ろ過に用いられるろ過膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、浄水場では専ら砂ろ過方式による原水のろ過が行われてきたが、広い敷地面積を必要とし、ろ過処理に長時間を要するという問題があるため、近年においては設置面積が小さく、維持管理が容易な膜ろ過方式を採用する浄水場が増えている。また、従来から、医薬品、食品施設など多くの施設で浄水を得る方法として、膜ろ過法が広く利用されている。
【０００３】
この膜ろ過法は、ろ過膜により原水中の懸濁物質を除去する固液分離の技術であり、用いられる膜の種類としては、酢酸セルロース、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン等の有機高分子等を主体とした高分子膜や耐熱性、耐薬品性等の耐久性に優れる多孔質セラミック膜がある。主に、コロイドのろ過を対象とする場合は、限外ろ過膜が利用され、それよりも大きい微細な粒子をろ過対象とする精密ろ過の場合は、ろ過対象に適した微孔を有する精密ろ過膜が利用されている。
【０００４】
例えば、従来の代表的なセラミックろ過膜は、特許文献１に示されるように、多孔質基材の表面に中間層を介してろ過層を形成した３層構造のものである。特許文献１のセラミックろ過膜においては、多孔質基材は、アルミナを骨材として細孔径が２０μｍであり、中間層は多孔質基材の骨材粒子よりも大きく、ろ過層の骨材粒子よりも小さい骨材粒子から形成され、ろ過層は、細孔径が０.０８〜1μｍである。なお、ここでいう、細孔径とはバブルポイント法から推算された孔径を表しており、以下も同様である。また、浄水用のセラミックろ過膜のろ過層は、原水中の細菌やクリプト原虫を通過させない大きさの細孔径に設定されている。
【０００５】
このように、膜の一方の表面(基材側)の孔径と他方の孔径(ろ過層側)とが異なっている膜を非対称膜といい、逆に、膜の両表面の孔径が実質的に変化しない膜は均質膜という。しかし、均質膜は、ろ過にあたって膜全体が流体の流れに対して大きな抵抗を示し、小さなろ過流束しか得られない(即ち、単位面積あたり、単位時間あたり、単位差圧あたり小さな流量しか得られない)上に、目詰まりしやすく寿命が短いという欠点があるため、あまり利用されていない。
【０００６】
また、広く利用されている非対称膜は、上記のセラミックろ過膜のように内部から表面に向かって順次孔径の小さい層を形成したものが多く、原水は表面のろ過層側から供給され、ろ過層を通過したろ液は孔径の大きい多孔質基材を透過して外部に取出されるようになっている。ろ液中にはろ過層の孔径よりも大きな濁質は含まれていないので、中間層や多孔質基材の内部で閉塞が生ずることはほとんどなく、膜の閉塞は主としてろ過層の表面で生ずることとなる。
【０００７】
このため閉塞物の堆積が進行した際に内側から水逆洗を行えば、閉塞物はろ過層の表面から剥離し、圧損が回復する。また水逆洗のみでは除去できない閉塞物は、次亜塩素酸などの薬液を用いて洗浄し、圧損を回復させている。原水水質にもよるが、浄水場では３月に１度程度の頻度で薬液洗浄を行っている。
【０００８】
ところが、原水が地下水、伏流水、井戸水のような清澄水である場合には、既に土壌中で一時的なろ過が行われているために、原水中に含まれる濁質の粒径は原水が河川表層水である場合などに比較して非常に細かく、濁質がろ過層の孔内部に浸入し易い傾向にある。また、河川表層水等のように比較的大きい濁質を含む水や凝集処理をして濁質の粒径を大きくした水をろ過する場合は、例えば、溶解性シリカ、溶解性有機物等のろ過層に吸着しやすい物質は、この粒径の大きい濁質に吸着するのであわせて除去される効果が得られるが、清澄水のように微細な濁質を少量にしか含まない水をろ過する場合には、この効果が得られない為、溶解性成分がろ過層に徐々に吸着する。このようにろ過層の内部に入り込んで付着した濁質やろ過層に吸着した成分は通常の水逆洗によっては除去することが困難である。従って原水が清澄水であっても、やはり３月に一度程度の薬液洗浄が必要となる。
【０００９】
しかし、浄水場では上水に薬液が混入する危険性を避けるために薬液洗浄の頻度をなるべく小さくしたいという要求があり、特に清澄水を原水とする浄水場を運営している地方自治体では、その要求が強い。上記した従来のろ過膜は、このような要求に十分に応えているとは言えない側面があった。
【特許文献１】特開２００３−２３０８２３号公報（実施例）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記した従来の問題点を解決して、清澄水を原水としてろ過運転を行う場合に、微細な濁質がろ過層の孔内部に浸入すること及び溶解性成分がろ過層に吸着することを防ぎ、従来のろ過膜よりも薬液洗浄の頻度を低減することができる清澄水の膜ろ過用ろ過膜を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために本発明者は検討を重ねたが、従来のろ過層の表面に更に微細な孔径の表面層を形成する方法では、その表面層が短時間で閉塞してしまい、また膜ろ過速度が低下するために目的を達成できなかった。ところが意外にも、従来のろ過層の表面にろ過層よりも孔径の大きい表面層を形成した構造とすることにより、ろ過性が顕著に向上することを見出し、実験で確認した。
【００１２】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、細孔径が０.０１〜３μmのろ過層の表面に、ろ過層よりも大きい細孔径を持つ表面層を形成したことを特徴とするものである。なお、表面層の細孔径が、ろ過層の１.５〜１０倍であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のろ過膜は、従来構造のろ過膜よりもろ過性に優れ、清澄水を原水としてろ過運転を行う場合における膜差圧の上昇が顕著に低下する。その理由は十分に解明されたわけではないが、原水がろ過層の表面に形成された、より大きい細孔径を持つ表面層を通過する間に、原水中の微細な濁質及び溶解性成分が捕捉・吸着されてプリコート層のような層を形成し、原水中の微細な濁質がろ過層の孔内部に浸入すること及び溶解性成分がろ過層に吸着することを防止するのではないかと考えられる。
【００１４】
この表面層は細孔径が好ましくはろ過層の１.５〜１０倍程度のものであるから、水逆洗によって上記の吸着層は容易に剥離されるか、あるいは吸着容量が大きいため、濁質及び溶解性成分が有効にろ濾過層を閉塞しない。このため水逆洗のみで膜差圧の上昇は抑制され、従来品よりも薬液洗浄の頻度を１/３程度に低減することができる。
【００１５】
ろ過膜の材質は、耐熱性、耐薬品性等の耐久性に優れるセラミックスであることが好ましい。この場合，表面層は例えばアルミナ、チタニア、ジルコニア、ムライト、ジルコンを主成分とする粒子を骨材として焼成して形成されたものが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明のろ過膜の模式的な断面図であり、以下、セラミックろ過膜の例で説明するが、本発明は、特にセラミックろ過膜に限定されるものではない。１は多孔質基材、２は多孔質の中間層、３はろ過層、４はろ過層３の表面に形成された表面層である。多孔質基材１はろ過膜の強度を保持する部分であり、セラミックろ過膜の場合は、例えばアルミナ等のセラミック粒子に、必要に応じ結合剤などを加えて焼成して細孔径が２０μmの多孔質体としたものである。
【００１７】
中間層２は、多孔質基材１を構成する粒子よりも粒径の小さいアルミナ等のセラミック粒子に、必要に応じ結合剤などを加えて、焼成して形成されるものである。具体的には、中間層形成用のスラリーを多孔質基材１の表面に被覆し、焼成する方法で形成することができる。細孔径は、多孔質基材より小さく、ろ過層より大きく設定されている。
【００１８】
ろ過層３は、微細なアルミナ粒子やチタニア粒子により形成される。ろ過層３は細孔径が０.０１〜３μmとなるように構成される。３μmを超えると原水中の細菌やクリプト原虫を通過させるおそれがあるので好ましくなく、０.０１μm未満であると膜ろ過流束が小さくなって処理水量が減少するのでやはり好ましくない。なおこれらの各層の形成方法は、前記した特許文献１に記載の通りである。
【００１９】
従来のセラミックろ過膜は上記した３層構造のものであるが、本実施形態では細孔径が最も小さいろ過層３の表面に、ろ過層３よりも大きい細孔径を持つ表面層４が形成されて４層構造となっている。この表面層４もアルミナ等のセラミック粒子からなるもので、例えば前記した中間層２と同質のものを用いることができる。その細孔径は、ろ過層３の細孔径の１.５〜１０倍であることが好ましい。
【００２０】
実験の結果、表面層４の細孔径がろ過層３の細孔径の１.５倍未満では、十分なろ過性能の向上は認められなかった。その理由は、ろ過層３の細孔径との差異が小さいため、単にろ過層３が厚くなったと同様の結果となるためと考えられる。また表面層４の細孔径がろ過層３の細孔径の１０倍を超えてもやはり十分なろ過性能の向上は認められなかった。その理由は、表面層４の細孔径が大きすぎると、ろ過層３の孔内部に浸入及びろ過層に吸着して目詰まりを起こすような微細な濁質及び溶解性成分を吸着・捕捉する効果が生じないためと考えられる。
【００２１】
表面層４の材質の影響は十分に解明されていないが、セラミックろ過膜の場合ではアルミナ、チタニア、ジルコニア、ムライト、ジルコンを主成分とする粒子を骨材として含む場合に好ましい結果が確認されている。この表面層４も中間層２やろ過層３と同様に、バインダーを含むスラリーを塗布し、焼成する方法で容易に形成することができる。なお、ろ過膜全体の構造は特に限定されるものではなく、モノリス膜、平膜、管状膜、中空糸膜など任意の形態を採ることができる。
【００２２】
このように構成された本発明の過膜は、従来品と同様に清澄水を原水として上水を製造するために用いられるもので、原水は表面層４の側から供給される。表面層４のなかった従来のろ過膜では、原水中の濁質のうち粒径がろ過層３の細孔径とほぼ一致するものが、図２Ａに模式的に示すようにろ過層３の内部に入る、もしくは溶解性成分がろ過層に吸着し閉塞を招く。
【００２３】
しかし本発明のろ過膜では、図２Ｂに模式的に示すように原水中の濁質のうち粒径がろ過層３の細孔径とほぼ一致するものや溶解性成分は表面層４において吸着・捕捉され、ろ過層３の閉塞を防ぐ。しかも図２Ａの場合には水逆洗を行っても濁質や吸着した溶解性成分は除去されにくいが、図２Ｂの場合には表面層４の孔径が大きいため水逆洗により容易に除去される。このため、本発明のろ過膜を用いると従来３月ごとに行っていた薬液洗浄のインターバルを、１年に１回まで延長することが可能となる。ただし原水の水質が悪く濁質が多い場合には、表面層４を形成したことによる効果は低減する。多量の濁質が表面層４の孔内部に浸入するためと考えられる。
【実施例１】
【００２４】
アルミナ多孔質基材の上に、細孔径が０.５μｍのアルミナ中間層を形成し、さらにその表面に細孔径が０.１μｍのチタニアろ過層を形成した従来のセラミックろ過膜と、この従来のセラミックろ過膜のろ過層上に、細孔径が０.５μｍのアルミナ表面層を形成した本発明のセラミックろ過膜とを用い、伏流水を原水として膜ろ過流束８ｍ３/(ｍ２・日)で膜ろ過運転を実施した。なお、膜形状はともにモノリス型である。
【００２５】
その結果、従来のセラミックろ過膜は運転開始後、１２時間で膜ろ過差圧が０.５ｋＰａ上昇したが、本発明のセラミックろ過膜は０．０６ｋＰａ上昇したのみであった。また双方のセラミックろ過膜を２４時間毎に水逆洗を行いながら３月間運転したところ、従来品は膜ろ過差圧が１２０ｋＰａにまで上昇したので薬液洗浄が必要となったが、本発明品は膜ろ過差圧が１１ｋＰａに留まり、この段階における薬液洗浄は不要であった。
【実施例２】
【００２６】
アルミナ多孔質基材の上に、細孔径が０.５μｍのアルミナろ過層を形成した従来のセラミックろ過膜と、この従来のセラミックろ過膜のろ過層上に、細孔径が1μｍのアルミナ表面層を形成した本発明のセラミック膜とを用い、井戸水を原水として膜ろ過流束１５ｍ３/(ｍ２・日)で膜ろ過運転を３ヶ月間実施した。また双方のセラミックろ過膜は２４時間毎に水逆洗を行った。なお、膜形状はともにモノリス型である。膜形状はともにモノリス型である。
【００２７】
その結果、従来のセラミックろ過膜は膜ろ過差圧が５０ｋＰａにまで上昇したので薬液洗浄が必要となったが、本発明品は膜ろ過差圧が４ｋＰａに留まり、この段階における薬液洗浄は不要であった。
【００２８】
しかし、細孔径が０.１μｍのチタニアろ過層の上に、細孔径が１.２μｍのアルミナ表面層を形成した場合には表面層の細孔径がろ過層の１０倍を越え、実施例１，２と比較してろ過性能の向上効果は半減した。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のろ過膜の模式的な断面図である。
【図２】従来品Ａと本発明品Ｂにおける濁質及び吸着成分による閉塞状況の模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  多孔質基材
２  中間層
３  ろ過層
４  表面層
【図１】
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【図２】
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