(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理液貯留タンクに貯留した被処理液を加圧して膜分離装置に供給し、この膜分離装置に配置した透過性膜により被処理液を透過液と濃縮液に分離し、透過液を系外に排出し、濃縮液を被処理液貯留タンクに戻し、上記操作を繰り返すことにより濃縮液の濃度を高める膜分離プロセスにおいて、被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に圧送手段と圧力計をこの順で配し、被処理液貯留タンクまたは被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に濃度計を配し、被処理液送給経路の濃度計と圧力計の間であって圧送手段の下流側に自動圧力調整弁を配し、該自動圧力調整弁から被処理液貯留タンクに至るバイパス経路を設け、透過性膜に供給される被処理液の圧力を操作圧力とし、透過性膜を透過する透過液の透過流束と上記操作圧力が直線比例関係にある場合の最大操作圧力を最適操作圧力とした場合に、最適操作圧力で操作しうるように、上記濃度計の指示により自動圧力調整弁の圧力を変化させることを特徴とする膜分離プロセスの操作圧力の制御方法。
【請求項２】
被処理液貯留タンクに貯留した被処理液を加圧して膜分離装置に供給し、この膜分離装置に配置した透過性膜により被処理液を透過液と濃縮液に分離し、透過液を系外に排出し、濃縮液を被処理液貯留タンクに戻し、上記操作を繰り返すことにより濃縮液の濃度を高める膜分離プロセスにおいて、被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に圧送手段と圧力計をこの順で配し、被処理液貯留タンクまたは被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に濃度計を配し、被処理液送給経路の濃度計と圧力計の間であって圧送手段の下流側に自動圧力調整弁を配し、該自動圧力調整弁から被処理液貯留タンクに至るバイパス経路を設け、さらに、膜分離装置から被処理液貯留タンクに至る濃縮液送給経路に自動圧力調整弁を配し、透過性膜に供給される被処理液の圧力を操作圧力とし、透過性膜を透過する透過液の透過流束と上記操作圧力が直線比例関係にある場合の最大操作圧力を最適操作圧力とした場合に、最適操作圧力で操作しうるように、上記濃度計の指示により自動圧力調整弁の圧力を変化させることを特徴とする膜分離プロセスの操作圧力の制御方法。
【請求項３】
膜分離装置から透過液を排出する透過液排出経路に積算流量計を配し、以下の式により算出される計算濃度を濃度計により測定された計測濃度に代えて用いることを特徴とする請求項１または２記載の膜分離プロセスの操作圧力の制御方法。
計算濃度＝（被処理液の原液量×初期濃度）／（被処理液の原液量−積算流量値）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラテックス濃縮、コロイドシリカ濃縮、有価物回収、廃液処理、金属分級、水道水濾過、活性汚泥処理等に有用な膜分離プロセスの操作圧力の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
膜分離装置では、加圧ポンプで被処理液を分離膜に供給し、分離膜によりその被処理液は溶質が除去された透過液と、溶質が濃縮された濃縮液とに分離される。このような膜分離装置において操作圧力を制御するには、一般的に、手動または自動の圧力調整弁により行われる。例えば、特開平１０−４３５５２号公報には、図８に示すような膜分離プロセスの操作圧力の制御方法が開示されている。この公報に開示された発明は、５ＭＰａを超えるような高圧域の制御を行う際に圧力調整弁への負担が大きくなり、安定した圧力制御が困難になることがあるので、低圧域から高圧域までの任意の圧力で常に安定に制御することが可能な膜分離プロセスの操作圧力の制御方法を提供するものであり、以下に説明するような発明が開示されている。すなわち、原液タンク２１に収容された原液は加圧送給ポンプ２２により分離膜モジュール２３の原液入口２４に供給され、分離膜モジュール２３において、溶質が除かれた透過液と溶質が濃縮された濃縮液とに分離され、透過液は透過液出口２５から排出され、濃縮液は濃縮液出口２６から管路２７に排出される。管路２７には、自動調圧弁２８およびオリフィス２９が直列に配置されており、このオリフィス２９は、ある一定の流速、一定の溶液密度および粘度において、５ＭＰａの圧力損失を発生する。オリフィス２９にはバイパス回路３０が設けられ、そのバイパス回路３０に仕切弁３１が配置されている。上記のように構成される膜分離プロセスにおいて、５ＭＰａまでの低圧域での圧力制御を行う場合には、バイパス回路３０の仕切弁３１を開くことによりオリフィス２９の効果が排除され、自動調圧弁２８のみで圧力制御が行われる。一方、１０ＭＰａまでの高圧域での圧力制御を行う場合には、バイパス回路３０の仕切弁３１を閉じることによりオリフィス２９で５ＭＰａの圧力損失を発生させ、残り５ＭＰａの圧力が自動調圧弁２８で制御される。このように、上記公報に記載された圧力制御方法は、操作圧力範囲を大小に分けて、それぞれの圧力範囲において圧力を制御しようとするものである。ところが、このような圧力制御方法では、膜分離装置において満足な膜分離ができないことがある。
【０００３】
例えば、微小孔を有する透過性膜を備えたクロスフロー型膜分離装置によりラテックスを濃縮する場合、透過性膜により被処理ラテックスを透過成分と非透過成分とに分離し、この非透過成分を再び膜分離装置入側に供給して同じく透過性膜により透過成分と非透過成分に分離し、同様の操作を繰り返すことによって非透過成分の濃度を高めていく場合、操作圧力と、透過性膜を透過する透過液の透過流束との関係は直線比例関係にはなく、図２に示すような関係にある。図２において、記号○、□、△、◇は、それぞれ、濃度１％、５％、１０％、２０％を示す。図２に示すように、濃度１％の場合、操作圧力約１０ｋｇ／ｃｍ2 までは、操作圧力と透過流束は直線比例関係にあるが、それ以上に操作圧力が大きくなっても、透過流束は増えない。また、濃度５％、１０％、２０％の場合、透過流束と直線比例関係にある操作圧力の最大値は、それぞれ、約８ｋｇ／ｃｍ2 、約４ｋｇ／ｃｍ2 、約２ｋｇ／ｃｍ2 である。上記各濃度において、透過流束と直線比例関係にある最大操作圧力以上の圧力を被処理液に加えても、透過流束はほとんど増えず、逆に膜表面にゲル層が形成されたり、膜の流路が閉塞されるというような弊害が発生する可能性がある。このように、被処理液の濃度によって適正な操作圧力が変化する関係にある場合に、上記公報に記載されたような圧力制御方法では、高い透過流束は得られず、上記したような弊害が発生するだけである。
【０００４】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、透過流束と直線比例関係にある操作圧力の最大値（最適操作圧力）で操作しうるように、被処理液の濃度に応じて膜分離装置に供給する被処理液の圧力を変化しうる膜分離プロセスの操作圧力の制御方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の要旨は、被処理液貯留タンクに貯留した被処理液を加圧して膜分離装置に供給し、この膜分離装置に配置した透過性膜により被処理液を透過液と濃縮液に分離し、透過液を系外に排出し、濃縮液を被処理液貯留タンクに戻し、上記操作を繰り返すことにより濃縮液の濃度を高める膜分離プロセスにおいて、被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に圧送手段と圧力計をこの順で配し、被処理液貯留タンクまたは被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に濃度計を配し、被処理液送給経路の濃度計と圧力計の間であって圧送手段の下流側に自動圧力調整弁を配し、該自動圧力調整弁から被処理液貯留タンクに至るバイパス経路を設け、透過性膜に供給される被処理液の圧力を操作圧力とし、透過性膜を透過する透過液の透過流束と上記操作圧力が直線比例関係にある場合の最大操作圧力を最適操作圧力とした場合に、最適操作圧力で操作しうるように、上記濃度計の指示により自動圧力調整弁の圧力を変化させることを特徴とする膜分離プロセスの操作圧力の制御方法を第一の発明とし、
被処理液貯留タンクに貯留した被処理液を加圧して膜分離装置に供給し、この膜分離装置に配置した透過性膜により被処理液を透過液と濃縮液に分離し、透過液を系外に排出し、濃縮液を被処理液貯留タンクに戻し、上記操作を繰り返すことにより濃縮液の濃度を高める膜分離プロセスにおいて、被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に圧送手段と圧力計をこの順で配し、被処理液貯留タンクまたは被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に濃度計を配し、被処理液送給経路の濃度計と圧力計の間であって圧送手段の下流側に自動圧力調整弁を配し、該自動圧力調整弁から被処理液貯留タンクに至るバイパス経路を設け、さらに、膜分離装置から被処理液貯留タンクに至る濃縮液送給経路に自動圧力調整弁を配し、透過性膜に供給される被処理液の圧力を操作圧力とし、透過性膜を透過する透過液の透過流束と上記操作圧力が直線比例関係にある場合の最大操作圧力を最適操作圧力とした場合に、最適操作圧力で操作しうるように、上記濃度計の指示により自動圧力調整弁の圧力を変化させることを特徴とする膜分離プロセスの操作圧力の制御方法を第二の発明とし、
上記第一または第二の発明において、膜分離装置から透過液を排出する透過液排出経路に積算流量計を配し、以下の式により算出される計算濃度を濃度計により測定された計測濃度に代えて用いることを特徴とする膜分離プロセスの操作圧力の制御方法を第三の発明とする。
計算濃度＝（被処理液の原液量×初期濃度）／（被処理液の原液量−積算流量値）
以上のように構成される本発明によれば、被処理液の濃度に適した最適操作圧力で膜分離を行うために、あらかじめ被処理液の操作圧力と透過流束との関係について、濃度をパラメーターとして、例えば、図２に示すような相関図を求めておく。そして、その図を元にして、図３に示すような濃度と最適操作圧力（透過流束と直線比例関係にある操作圧力の最大値）の相関図を得る。そこで、被処理液貯留タンクから膜分離装置に至る被処理液送給経路に配した濃度計による計測濃度または積算流量計で積算した透過液の流量より算出した計算濃度に応じて、最適操作圧力で操作しうるように、膜分離装置に送給する被処理液の圧力を変化させることにより、効率的に膜分離を行うことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。図１は、第二の発明を適用するに好適である膜分離プロセスの全体配置図である。図１において、１は被処理液１１を貯留する被処理液貯留タンク、２は濃度計、３はインバータ制御式の加圧送給ポンプ、４は圧力計、５は透過性膜を備えた膜分離装置であり、被処理液貯留タンク１と膜分離装置５は被処理液送給経路８で接続されている。なお、濃度計２は被処理液貯留タンク１の中に配置することもできる。９は膜分離装置５から透過液を排出する透過液排出経路である。膜分離装置５から被処理液貯留タンク１には濃縮液送給経路１０が形成されている。濃度計２には上記最適操作圧力が入力されており、圧力計４で測定された圧力は濃度計２にフィードバックされ、インバータ制御式の加圧送給ポンプ３は、濃度計２と電気的に接続されている。そして、圧力計４で測定された圧力が最適操作圧力よりも高ければ降圧するように、あるいは、最適操作圧力よりも低ければ昇圧するように、濃度計２からインバータ制御式の加圧送給ポンプ３に対して指示が出される。
【０００７】
膜分離装置５としては、一般的に使用されているもの（例えば、中空系膜を用いたもの）を使用することもできるが、本出願人により出願された、膜分離装置内に配置した透過性膜を水平面内の円周方向に微小振幅で往復運動を行わせつつ被処理液を透過液と非透過液に分離する装置を利用すれば、透過流束が大きく、膜表面に目詰まりを起こすことなく、被処理液を高濃度まで濃縮することができるので、好ましい（例えば、特願平１０−１１９１５３号参照）。
【０００８】
以上のように構成される膜分離プロセスによれば、以下のようにして膜分離を行うことができる。
【０００９】
まず、被処理液貯留タンク１に被処理液１１を注入する。このとき、被処理液の容積を測定しておく。そして、被処理液の初期濃度における操作圧力が最適になるように、図３に基づく最適操作圧力で加圧送給ポンプ３の運転を開始する。すると、被処理液は最適操作圧力で経路８を経て膜分離装置５に送られる。その膜分離装置５において膜分離された被処理液は、透過液と濃縮液に分かれて、透過液は経路９より排出され、濃縮液は経路１０を経て被処理液貯留タンク１に送給される。この膜分離プロセスにおける被処理液の濃度は、濃度計２により測定されている。上記したように、インバータ制御式の加圧送給ポンプ３は、濃度計２と電気的に接続されており、濃度計２の指示を受けて作動することが可能である。
【００１０】
被処理液貯留タンク１に戻された濃縮液は経路８を経て膜分離装置５に送られるが、濃度計２にフィードバックされた圧力計４の圧力がそのときの被処理液の濃度における最適操作圧力よりも高い場合は、その圧力を低くするように濃度計２からインバータ制御式の加圧送給ポンプ３に信号が送られる。すなわち、インバータ制御式の加圧送給ポンプ３から送給される被処理液の圧力が降下する。逆に、濃度計２にフィードバックされた圧力計４の圧力がそのときの被処理液の濃度における最適操作圧力よりも低い場合は、その圧力を高くするように濃度計２からインバータ制御式の加圧送給ポンプ３に信号が送られる。すなわち、インバータ制御式の加圧送給ポンプ３から送給される被処理液の圧力は上昇する。
【００１１】
図４は、第三の発明を適用するに好適である膜分離プロセスの全体配置図である。図１と異なる点は、被処理液送給経路８の濃度計２と圧力計４との間に自動圧力調整弁１２が配置され、さらに、自動圧力調整弁１２から被処理液貯留タンク１に至るバイパス経路１３を設けた点にある。自動圧力調整弁１２は濃度計２と電気的に接続されており、圧力計４で測定された圧力が、最適操作圧力よりも高ければ降圧するように、あるいは、最適操作圧力よりも低ければ昇圧するように、濃度計２から自動圧力調整弁１２に対して指示が出される。
【００１２】
以上のように構成される膜分離プロセスは、図１の場合と同じように膜分離を行うことができる。すなわち、被処理液貯留タンク１内の濃縮液が経路８を経て膜分離装置に送られるときに、濃度計２にフィードバックされた圧力計４の圧力がそのときの被処理液の濃度における最適操作圧力よりも高い場合は、その圧力を低くするように濃度計２から自動圧力調整弁１２に信号が送られる。その結果、自動圧力調整弁１２からバイパス経路１３を経て被処理液貯留タンク１に戻される液量が増加されて経路８を流通する被処理液の圧力が降下する。逆に、濃度計２にフィードバックされた圧力計４の圧力がそのときの被処理液の濃度における最適操作圧力よりも低い場合は、その圧力を高くするように濃度計２から自動圧力調整弁１２に信号が送られる。その結果、自動圧力調整弁１２からバイパス経路１３を経て被処理液貯留タンク１に戻される液量が減少されて経路８を流通する被処理液の圧力が上昇する。なお、第三の発明で用いられる加圧送給ポンプ３は第二の発明のようにインバータ制御式のものを必ずしも用いる必要はなく、定圧式ポンプ等を用いてもよい。
【００１３】
図５は、第四の発明を適用するに好適である膜分離プロセスの全体配置図である。図１と異なる点は、膜分離装置５から被処理液貯留タンク１に至る濃縮液送給経路１０に自動圧力調整弁７が配置された点にある。自動圧力調整弁７は濃度計２と電気的に接続されており、圧力計４で測定された圧力が最適操作圧力よりも高ければ降圧するように、あるいは、最適操作圧力よりも低ければ昇圧するように、濃度計２から自動圧力調整弁７に対して指示が出される。
【００１４】
以上のように構成される膜分離プロセスは、図１の場合と同じように膜分離を行うことができる。すなわち、被処理液貯留タンク１内の濃縮液が経路８を経て膜分離装置に送られるときに、濃度計２にフィードバックされた圧力計４の圧力がそのときの被処理液の濃度における最適操作圧力よりも高い場合は、その圧力を低くするように濃度計２から自動圧力調整弁７に信号が送られる。その結果、自動圧力調整弁７から排出される濃縮液の圧力を低くするように弁７が調整される。逆に、濃度計２にフィードバックされた圧力計４の圧力がそのときの被処理液の濃度における最適操作圧力よりも低い場合は、その圧力を高くするように濃度計２から自動圧力調整弁７に信号が送られる。その結果、自動圧力調整弁７から排出される濃縮液の圧力を高くするように弁７が調整される。なお、第四の発明で用いられる加圧送給ポンプ３は第二の発明のようにインバータ制御式のものを必ずしも用いる必要はなく、定圧式ポンプ等を用いてもよい。
【００１５】
図６は、第五の発明を適用するに好適である膜分離プロセスの全体配置図である。図１と異なる点は、被処理液送給経路８の濃度計２と圧力計４との間に自動圧力調整弁１２が配置され、自動圧力調整弁１２から被処理液貯留タンク１に至るバイパス経路１３を設けた点と、膜分離装置５から被処理液貯留タンク１に至る濃縮液送給経路１０に自動圧力調整弁７が配置された点にある。自動圧力調整弁１２と７は濃度計２と電気的に接続されており、圧力計４で測定された圧力が最適操作圧力よりも高ければ降圧するように、あるいは、最適操作圧力よりも低ければ昇圧するように、濃度計２から自動圧力調整弁１２と７に対して指示が出され、上記したプロセスに従って最適操作圧力で膜分離を行うことができる。なお、第五の発明で用いられる加圧送給ポンプ３は第二の発明のようにインバータ制御式のものを必ずしも用いる必要はなく、定圧式ポンプ等を用いてもよい。
【００１６】
図７は、第六の発明を適用するに好適である膜分離プロセスの全体配置図である。図１と異なる点は、濃度計２がなく、被処理液送給経路８の加圧送給ポンプ３と圧力計４との間に自動圧力調整弁１２が配置され、自動圧力調整弁１２から被処理液貯留タンク１に至るバイパス経路１３を設けた点と、膜分離装置５から被処理液貯留タンク１に至る濃縮液送給経路１０に自動圧力調整弁７が配置された点と、透過液排出経路９に積算流量計６を設けた点にある。積算流量計６には上記最適操作圧力が入力されており、圧力計４で測定された圧力は積算流量計６に入力され、積算流量計６はインバータ制御式の加圧送給ポンプ３、自動圧力調整弁１２または７と電気的に接続されている。そして、積算流量計６により積算された透過液の流量に基づいて上記した式に従って被処理液の濃度が連続的に算出され、圧力計４で測定された圧力がその計算濃度における最適操作圧力よりも高ければ降圧するように、あるいは、最適操作圧力よりも低ければ昇圧するように、積算流量計６から、それぞれの機器（インバータ制御式の加圧送給ポンプ３、自動圧力調整弁１２または７）に対して指示が出され、上記したプロセスに従って最適操作圧力で膜分離を行うことができる。すなわち、第六の発明は第二の発明から第五の発明における濃度計２の代わりに積算流量計６により被処理液の濃度を算出し、圧力操作をする方法である。
【００１７】
かくして本発明によれば、常に最適操作圧力で膜分離装置を運転することができるため、膜表面にゲル層が形成されることはなく、膜の流路が閉塞されることもなく、極めて効率的に膜分離を行うことができるとともに使用膜の長寿命化を図ることが可能である。また、被処理液送給ポンプによる無駄な消費電力はないので、ランニングコストを低減することができる。例えば、無機質スラリー２００リッターを懸濁物の濃度を１％から２０％に濃縮する場合に、図１に示すような構成の限外濾過膜を用いた膜分離プロセスにおいて、定格容量７．５ｋＷのインバータ制御式の加圧送給ポンプ３と膜面積が１ｍ2 の膜分離装置５を用いて、最初から最後まで操作圧力を１０ｋｇ／ｃｍ2 に固定した場合と、操作圧力を図３に示すように変化させた場合における消費電力を比較すると、後者のように操作圧力を変化させることによって約４５％消費電力を節減することができた。なお、平均透過流束は、前者では５５Ｌ／ｍ2 ／hrであり、後者では５４Ｌ／ｍ2 ／hrであった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は上記のとおり構成されているので、膜表面にゲル層が形成されることはなく、膜の流路が閉塞されることもなく、極めて効率的に膜分離を行うことができるとともに使用膜の長寿命化を図ることが可能である。また、インバータ制御式の加圧送給ポンプを用いた場合は、被処理液送給ポンプによる無駄な消費電力はないので、ランニングコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用するに好適である膜分離プロセスの一実施形態の全体配置図である。
【図２】膜分離装置における操作圧力と透過流束の関係を示す図である。
【図３】膜分離装置における濃度と最適操作圧力の関係を示す図である。
【図４】本発明の方法を適用するに好適である膜分離プロセスの別の実施形態の全体配置図である。
【図５】本発明の方法を適用するに好適である膜分離プロセスのさらに別の実施形態の全体配置図である。
【図６】本発明の方法を適用するに好適である膜分離プロセスのさらに別の実施形態の全体配置図である。
【図７】本発明の方法を適用するに好適である膜分離プロセスのさらに別の実施形態の全体配置図である。
【図８】従来の膜分離プロセスの一例の全体配置図である。
【符号の説明】
１…被処理液貯留タンク
２…濃度計
３…加圧送給ポンプ
４…圧力計
５…膜分離装置
６…積算流量計
７…自動圧力調整弁
８…被処理液送給経路
９…透過液排出経路
１０…濃縮液送給経路
１１…被処理液
１２…自動圧力調整弁
１３…バイパス経路
【図１】
0004137231.tif 000002
【図２】
0004137231.tif 000003
【図３】
0004137231.tif 000004
【図４】
0004137231.tif 000005
【図５】
0004137231.tif 000006
【図６】
0004137231.tif 000007
【図７】
0004137231.tif 000008
【図８】
0004137231.tif 000009