(57)【要約】【課題】濾過装置の稼働中でも膜の欠陥を迅速に感度良く、かつ高精度で効率的に検出することができる膜欠陥検出方法及び膜欠陥検出装置を提供する。また、これらに好適に使用できる膜モジュールを提供する。【解決手段】膜モジュール内に設けられた膜の欠陥を検出する膜欠陥検出方法であって、液体を膜モジュール内に流した際に、前記膜モジュールの液供給口側に設けられた基準電極と、前記基準電極よりも液流出口側に設けられた参照電極との間の電位を連続的に測定し、当該電位の変動を測定することにより前記膜の欠陥を検出する膜欠陥検出工程を含み、前記電位を増幅させる増幅手段を、前記参照電極よりも前記基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けた状態で前記電位の変動を測定する膜欠陥検出方法である。また、膜欠陥検出方法に適用可能な膜欠陥検出装置及び膜モジュールである。【選択図】図１
2011020047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜モジュール内に設けられた膜の欠陥を検出する膜欠陥検出方法であって、
液体を膜モジュール内に流した際に、前記膜モジュールの液供給口側に設けられた基準電極と、前記基準電極よりも液流出口側に設けられた参照電極との間の電位差を連続的に測定し、当該電位差の変動を測定することにより前記膜の欠陥を検出する膜欠陥検出工程を含み、
前記電位を増幅させる増幅手段を、前記参照電極よりも前記基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けた状態で前記電位差の変動を測定する膜欠陥検出方法。
【請求項２】
前記膜モジュールに沿って基準電極と参照電極との最短距離をＤとした際に、前記基準電極から半径２／５Ｄの範囲内に前記増幅手段を設ける請求項１に記載の膜欠陥検出方法。
【請求項３】
前記基準電極と前記増幅手段とを同一の部材に組み込んだ状態とする請求項２に記載の膜欠陥検出方法。
【請求項４】
前記膜モジュールが複数ある請求項１又は２に記載の膜欠陥検出方法。
【請求項５】
前記電位差が１ｍＶ以上となった場合に、前記膜の欠陥の存在を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜欠陥検出方法。
【請求項６】
前記膜が、限外濾過膜及び精密濾過膜のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜欠陥検出方法。
【請求項７】
膜を備えた膜モジュールと、
前記膜モジュールの液供給口側に設けられた基準電極と、
前記膜モジュールの液流出口側に設けられた参照電極と、
前記基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段と、
前記増幅されたそれぞれの電位の電位差を連続的に測定する測定手段と、を具備し、
前記増幅手段が前記参照電極よりも前記基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けられてなる濾過装置。
【請求項８】
前記膜が、限外濾過膜及び精密濾過膜のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の濾過装置
【請求項９】
膜と、液供給口側に設けられた基準電極と、液流出口側に設けられた参照電極と、前記基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段とを具備し、
前記増幅手段と前記基準電極とが一体化もしくは近設してなる膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、限外濾過膜（ＵＦ膜）や精密濾過膜（ＭＦ膜）等の分離膜を用いる水処理において、分離膜の欠陥を検知する膜欠陥検出方法及び膜欠陥検出装置、並びに、これらに使用する膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
浄水、超純水、パイロジェンフリー水等の製造において、最終的な除粒子や除菌、除パイロジェン等の目的でＵＦ膜モジュールやＭＦ膜モジュールが多数使用されている。これら膜モジュールにおける膜の欠陥発生は、製造された水や水溶液の水質（例えば、微粒子数、濁度や菌数）を測定することによって監視されている。
【０００３】
このような造水装置（造水システム）では、１ユニット当たり数本から１０本以上の膜モジュールが使用されており、そのユニットも処理量によっては複数台使用される。また、水質を監視する機器はその費用等の面から各モジュールにではなく、最終的に集合された濾過液の配管から採取して測定されている。そのため、例えば、多数の中空糸膜モジュールにおいて、１本の繊維の切断のような膜モジュールの欠陥がわずかだった場合、その検出が困難である。現実的には、装置を休止させて空気等で加圧して気泡を検出する方法等が使用されている。しかし、この方法では装置稼働中の検出は不可能であり、欠陥が生じたときに即座にこれを検出することができない。
【０００４】
このような中、本出願人は、装置の稼働中でも分離膜に生じた欠陥を迅速、かつ、高精度で効率よく検出できる膜欠陥検出方法を提案した（例えば、特許文献１参照）。しかし、当該方法では、電位が微弱な場合があるため検出感度をより向上させる必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６３９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上から、本発明は、濾過装置の稼働中でも膜の欠陥を迅速に感度良く、かつ高精度で効率的に検出することができる膜欠陥検出方法及び膜欠陥検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、これらに好適に使用できる膜モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは、電位の変動により膜の欠陥の有無を検知する手法に加え、当該電位を増幅させる増幅手段を所定の位置に設けることで電位の変動をより迅速に感度良く、かつ高精度で効率的に検知できることを見出した。
すなわち、本発明は下記の通りである。
【０００８】
［１］  膜モジュール内に設けられた膜の欠陥を検出する膜欠陥検出方法であって、液体を膜モジュール内に流した際に、前記膜モジュールの液供給口側に設けられた基準電極と、前記基準電極よりも液流出口側に設けられた参照電極との間の電位を連続的に測定し、当該電位の変動を測定することにより前記膜の欠陥を検出する膜欠陥検出工程を含み、前記電位を増幅させる増幅手段を、前記参照電極よりも前記基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けた状態で前記電位の変動を測定する膜欠陥検出方法。
［２］  前記膜モジュールに沿って基準電極と参照電極との最短距離をＤとした際に、前記基準電極から半径２／５Ｄの範囲内に前記増幅手段を設ける［１］に記載の膜欠陥検出方法。
［３］  前記基準電極と前記増幅手段とを同一の部材に組み込んだ状態とする［２］に記載の膜欠陥検出方法。
［４］  前記膜モジュールが複数ある［１］又は［２］に記載の膜欠陥検出方法。
［５］  前記電位が１ｍＶ以上となった場合に、前記膜の欠陥の存在を検出することを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の膜欠陥検出方法。
［６］  前記膜が、限外濾過膜及び精密濾過膜のいずれかであることを特徴とする［１］〜［５］のいずれかに記載の膜欠陥検出方法。
【０００９】
［７］  膜を備えた膜モジュールと、前記膜モジュールの液供給口（液体の流出口）側に設けられた基準電極と、前記膜モジュールの液流出口側に設けられた参照電極と、前記基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段と、前記増幅されたそれぞれの電位の電位差を連続的に測定する測定手段と、を具備し、前記増幅手段が前記参照電極よりも前記基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けられてなる濾過装置。
［８］  前記膜が、限外濾過膜及び精密濾過膜のいずれかであることを特徴とする［７］に記載の濾過装置。
【００１０】
［９］  膜と、液供給口側に設けられた基準電極と、液流出口側に設けられた参照電極と、前記基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段と、を具備し、前記増幅手段と前記基準電極とが一体化もしくは近設してなる膜モジュール。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、濾過装置の稼働中でも膜の欠陥を迅速に感度良く、かつ高精度で効率的に検出することができる膜欠陥検出方法及び膜欠陥検出装置を提供することができる。また、本発明によれば、これらに好適に使用できる膜モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の濾過装置の一形態を示す説明図である。
【図２】本発明の膜モジュールの一形態を示す説明図であり、（Ａ）は内圧濾過方式（クロスフロー方式）の膜モジュールを示し、（Ｂ）は外圧式デッドエンド濾過方式の膜モジュールを示す。
【図３】本発明の膜モジュールに適用可能な配管アダプターの一形態を示す斜視図である。
【図４】配管アダプターの一形態を説明する部分断面図である。
【図５】上段が時間と電位との関係を示す図であり、下段が時間と圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［膜欠陥検出方法及び濾過装置］
本発明の膜欠陥検出方法は、液体を膜モジュール内に流した際に、膜モジュールの液供給口（液体が供給される供給口）側に設けられた基準電極と、基準電極よりも液流出口（液体の流出口）側に設けられた参照電極との間の電位差を連続的に測定し、当該電位差の変動を測定することにより膜の欠陥（亀裂やピンホール等）を検出する（膜欠陥検出工程）。
【００１４】
ここで、欠陥が発生する前の電極の電位は、例えば、ＵＦ膜の細孔内を水が透過したために生じる流動電位で、下記式（１）で表される。
【００１５】
Ｖ／Ｐ＝（ε0εrζ）／（ηκ）・・・式（１）
なお、上記式（１）中、Ｖは流動電位（中空糸膜内を透過する水によって生じた流動電位）、Ｐは膜間差圧、ε0及びεrは真空及び水の誘電率、ζはゼータ電位、ηは水の粘度、κは水の電気伝導度を表す。
【００１６】
流動電位は、膜にかかる圧力や水温、電気伝導度によって変化するため、電位を計測するのと同時に、圧力、流量、温度、電気伝導度を測定しておき、その影響を補正する必要があるが、それらの影響を考慮し補正しても、電位の変化が認められる場合には、膜に欠陥が発生したと判断することができる。
【００１７】
膜電位は水が膜の細孔を流れるときに膜の表面の電気二重層との相互作用によって膜の両側に電位を発生するものである。もし、膜に欠陥、例えばピンホールや中空繊維の切断が起こればこの電位が変動する。これを膜モジュールに設置した電極で検出すれば欠陥が生じたときに瞬時に検出ができる。
【００１８】
本発明の膜欠陥検出方法においては、基準電極の電位と参照電極の電位との電位差の絶対値が１ｍＶ以上となった場合に、膜の欠陥の存在を検出することが好ましい。通常の状態でも外部のなんらかの影響により、電位差が若干変動することがある。しかし、大きく変動したとしてもその変動値の絶対値が１ｍＶを超えることはない。一方で、膜に欠陥が発生すると、供給液側と透過液側とが直接つながり、流速が大幅に変動するといったことから、その変動値の絶対値は１ｍＶ以上となる。従って、この値を基準に膜の欠陥を検出することが実用的であり、非常に効率的であるといえる。
【００１９】
また、膜処理の運転の初期は電位差が安定しないことがある。その場合は、電位差の絶対値が１ｍＶ未満となるまで待ってから、膜欠陥を検出するための電位差測定を連続的に行うことが好ましい。ここでいう「連続的」とは、膜処理運転中に電位差測定を行い続けることをいう。
【００２０】
本発明においては、電位を増幅させる増幅手段を、参照電極よりも基準電極側であって当該基準電極の近傍に設ける。基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けることで、各電極の電位を感度良く検出することができる。逆に、基準電極側であって当該基準電極の近傍でないと、高感度な電位の検出が困難になる場合がある。
ここで、「基準電極側であって当該基準電極の近傍」とは、膜モジュールに沿って基準電極と参照電極との最短距離をＤとすると、基準電極から半径２／５Ｄの範囲内をいい、好ましくは半径１／３Ｄの範囲内、より好ましくは半径１／８Ｄの範囲内をいう。最も好ましい態様としては、基準電極と増幅手段とを同一の部材（後述するような同一配管等）に組み込んだ状態が挙げられる。
【００２１】
上記のように、「基準電極側であって当該基準電極の近傍」に増幅手段を設けることによる効果は、下記実験例からも明らかである。すなわち、下記表１に示すように、増幅手段（増幅器）を基準電極から大きく離れた位置に設けると（比較実験例）、ノイズの変動幅が大きくなるのに対し、基準電極の近傍（実験例）に設けることで、ノイズの変動幅を非常に小さくすることができる。そして、これにより各電極の電位を感度良く検出することができるのである。
【００２２】
【表１】
2011020047.tif 000003
【００２３】
なお、基準電極、参照電極、増幅手段（アンプ）については、従来公知のものを使用することができる。基準電極の形態としては、ステンレスやチタンの棒や板が挙げられ、参照電極の形態としては、上記同様、ステンレスやチタンの棒や板が挙げられる。増幅手段としては、低い電位を効率的に測定するために、高入力インピーダンスを有するものが好ましい。
【００２４】
本発明では、透過膜によって生ずる膜電位の変化を測定することによって膜の欠陥の発生を検出するので、連続的な分離膜の性能監視が可能である。また、検出器は安価で構造が簡単な電極を使用することが可能で、各モジュールに複数の電極を設置することができる。従って、複数の膜モジュールを使用した膜分離ユニットや膜分離ユニットを複数台使用した大容量の装置に最適である。
【００２５】
各モジュールに設置された電極の電位はマイクロプロセッサーで制御された電位検出器によって複数の電極を同時あるいはスキャンし、短時間のうちに電位もしくは電位差が測定、収集、保存され、マイクロプロセッサーによってノイズの除去や圧力、温度、流量等の補正が行われて異常かどうかの判断がなされる。各膜モジュールに流路遮断用の自動弁を設置すれば、膜ろ過装置の多数のモジュール中の１本の膜モジュールに異常が検出されたときには、装置全体の稼働を停止するのでなく、その膜モジュールのみを自動弁等でメイン配管、あるいはろ過水配管から切り離してろ過水質を維持することができる。また、自動弁を設置しなくても欠陥膜モジュールが特定できれば短時間のうちに手動でそのモジュールを切り離すこともできる。
【００２６】
上記のような本発明の膜欠陥検出方法を実施するには、本発明の濾過装置を適用することができる。当該濾過装置は、膜を備えた膜モジュールと、膜モジュールの液供給口側に設けられた基準電極と、膜モジュールの液流出口側に設けられた参照電極と、基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段と、増幅されたそれぞれの電位（又は当該電位から求められる電位差）を連続的に測定する測定手段と、を具備する。そして、増幅手段が参照電極よりも基準電極側であって当該基準電極の近傍に設けられてなる。
【００２７】
図１に当該濾過装置の一例を示す。
当該濾過装置においては、まず、原水ライン１０より供給された水（又は水溶液）は濾過手段であるである膜モジュール１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを通じて濾過される。濾過された水は、各膜モジュールに設置された自動弁１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを経て濾過水ライン１６に集まって流出し、濾過されなかった水は循環水ライン１８へ流出する。
【００２８】
膜モジュール１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに設けられる基準電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは各膜モジュールの液供給口側（原水ライン１０側）に設置され、参照電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは液流出口側（濾過水ライン１６側）に設置される。それぞれの基準電極及び参照電極の２つの電極間の電位は増幅器（ＡＭＰ）２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃにより増幅され、Ａ／Ｄ変換器２６を経て順次あるいは並列にマイクロプロセッサー２８に入力される。入力されたデータはマイクロプロセッサー２８で記録、演算、比較される。その結果、異常が検出されたとき（例えば、電位差が１ｍＶ以上となったとき）には警報機３０により警報が発せられ、該当する膜モジュールに付属するろ過液の自動弁を閉じて汚染水（非処理水）の混入が防がれる。
【００２９】
［膜モジュール］
本発明の膜モジュールは、膜と、液供給口側に設けられた基準電極と、液流出口側に設けられた参照電極と、基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段と、を具備し、増幅手段と基準電極とが一体化もしくは近設してなる。
【００３０】
具体的には、図２（Ａ）に示すように、膜モジュール１２は、ハウジングケース３０の内部に中空糸膜（不図示）を多数備えている。中空糸膜の端末はハウジングケース３０の両端部において、端末を開口した状態で封止部材により封止されている。
【００３１】
この膜モジュール１２は、例えば、中空糸膜の内側から外側へろ過する内圧ろ過方式を採用することができ、一方の開口端（液供給口）３２Ａから矢印Ｘ方向へ処理用の水等を中空糸膜の内径流路に流入させる。中空糸膜を透過した水はハウジングケース３０の内部から流出口３４Ａ、３４Ｂを経て膜モジュール１２から流出する。また、余剰の水は開口端３２Ｂから流出する。
図２（Ａ）の場合、流出口は２つ設けられているがこれは１つでも３つ以上でもよく特に限定されるものではない。
【００３２】
膜モジュール１２には、基準電極２０Ｄが開口端３２Ａを有する配管内に設けられており、検出電極２２Ｄ、２２Ｅが、透過液側である流出口３４Ａ、３４Ｂの配管内に設けられている。
なお、図２（Ａ）に示すように参照電極は複数設けてもよいが、少なくとも１つあればよくその数は適宜設定される。
【００３３】
また、膜モジュール１２には基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段が設けられるが（図２（Ａ）には示さず）、当該増幅手段は、基準電極と一体化もしくは近設してなるように設ける必要がある。このような態様とすることで、基準電極からの電位を増幅させることが容易になり効率的に電位の測定を行なうことができる。
【００３４】
本発明の膜モジュールの他の構成として、図２（Ｂ）に示すように膜モジュール１３のような外圧式デッドエンド濾過方式を挙げることができる。当該外圧式デッドエンド濾過方式は大型の濾過装置（濾過システム）の場合に好適である。膜モジュール１３の場合には、一方の開口端（液供給口）３４Ｂから矢印Ｘ方向へ処理用の水等を中空糸膜の内径流路に流入させる。中空糸膜を透過した水はハウジングケース３０の内部から流出口３２Ｂを経て膜モジュール１３から流出する。
【００３５】
基準電極２２Ｆは開口端３４Ａを有する配管内に設けられており、検出電極２２Ｇは、透過液側である流出口３２Ｂの配管内に設けられている。当該膜モジュール１３においても基準電極及び参照電極の電位を増幅させる増幅手段が基準電極と一体化もしくは近設してなるように設けられる。このような態様においても、基準電極からの電位を増幅させることが容易になり効率的に電位の測定を行なうことができる。
図２（Ｂ）において、その他の構成については膜モジュール１２と同様である。
【００３６】
基準電極と一体化もしくは近設させるには、これらを同一の領域内に設ければよい。例えば図３に示すように、液供給口に設けられる配管アダプター４０の側面に、基準電極と増幅手段である増幅器とを収容した収容ボックス４２を設ける態様とすることが好ましい。図４に示すように基準電極２０Ｄは、配管アダプター４０の内面側に露出するように設けられ、配管アダプター４０の外面側に設けられた増幅器２４Ｄに配線を通じて繋がっている。増幅器２４Ｄから伸びる配線Ｌは、Ａ／Ｄ変換等を介してマイクロプロッセッサーに連結する。
【００３７】
なお、配管アダプター４０をプラスチック製にした場合には図４に示すように、基準電極２０Ｄは配管アダプター４０の側面に埋め込むようにすることができるが、配管アダプター４０がステンレス製の場合には配管アダプターそのものを電極とすることができる。
【００３８】
以上のような本発明（膜欠陥検出方法及び濾過装置）においては、Ａ／Ｄ変換器２６によるＡ／Ｄ変換後にノイズの除去を行なったり、電位の変動要因を補正する補正処理を行なったりしてもよい。
【００３９】
特に測定する電極の電位は、装置の運転状況（例えば、濾過圧力、温度、モジュール入口の流量、水の電気伝導度等）により変化する場合がある。そうすると、測定の際に観察される電位の変動が、上記運転状況によるものであるのか、または、欠陥の発生によるものであるのか、その判別が困難となることがある。そこで、さらなる測定精度の向上を目的として、電位の変動を測定する前に、特に圧力を補正する補正処理を行うことが好ましい。当該処理の概要としては、既述の式（１）に示したように、流動電位Ｖは膜間差圧Ｐに比例するが、測定される電位は中空糸内部の流れによって生じる電位が加算されているため、予め膜間差圧による電位の変化を測定しておき、圧力の変動を補正すればよい。
【００４０】
補正処理として、例えば、図２（Ａ）に示すような膜モジュールを使用する場合、下記電圧の補正式に基づいて行うことが好ましい。
【００４１】
【数１】
2011020047.tif 000004
【００４２】
ここで、上記式中のＴＭＰは下記式で表される。
但し、下記式中のＰinは膜モジュールの液供給口の圧力（ｂａｒ）であり、Ｐoutは膜モジュールの液流出口の圧力（ｂａｒ）であり、Ｐpermは、膜モジュールの透過側の圧力（ｂａｒ）である。
【００４３】
【数２】
2011020047.tif 000005
【００４４】
また、複数の膜モジュールを並列に並べて使用した場合、図５のように例えば、モジュール１のファイバーが１本破損するとモジュール１の電極電位は変動するが、モジュール２の電極電位はほとんど変化しない。各モジュールの電位の絶対値は同一ではないが、電位を連続的に監視し比較することによって膜の異常を検出することができる。外部要因による電位の変動（たとえば圧力、流量、温度等）は各モジュールに対してほぼ同時にまた同程度であるので、上記のような圧力による補正処理とともに検出精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０・・・原水ライン
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ・・・膜モジュール
１６・・・濾過水ライン
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ・・・基準電極
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ・・・参照電極
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ・・・増幅器
２６・・・Ａ／Ｄ変換器
２８・・・マイクロプロセッサー
３０・・・警報機
【図１】
2011020047.tif 000006
【図２】
2011020047.tif 000007
【図３】
2011020047.tif 000008
【図４】
2011020047.tif 000009
【図５】
2011020047.tif 000010