(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの透過性または半透過性の膜層（１）と、膜モジュールの堆積物を検出するための装置と、を含む膜モジュールであって、
少なくとも１つのポリマー光ファイバ（３）が、前記少なくとも１つの膜層（１）上の堆積物を検出するために前記膜モジュールに組み込まれ、前記ポリマー光ファイバ（３）は少なくとも１つの膜層（１）に接触していることを特徴とする膜モジュール。
【請求項２】
前記膜モジュールは、流体の供給流（Ｆ）から透過液を生成するように機能し、前記膜モジュールは、隣接して配置または積層された、透過性または半透過性膜層（１）の複数のシート（ａ、ｂ）を含み、前記少なくとも１つのポリマー光ファイバ（３）は、前記膜層（１）の少なくとも１つのシート（ａ、ｂ）と接触している、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項３】
隣接して配置された、前記膜層（１）の複数のシート間に中間シート（２、８）がそれぞれ配置され、前記ポリマー光ファイバ（３）または各ポリマー光ファイバは、中間シート（２、８）に埋め込まれているか又は組み込まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の膜モジュール。
【請求項４】
スペーサとして機能する中間シート（２、８）が、隣接して配置された複数の膜層（１）の間にそれぞれ配置され、前記中間シートは、前記隣接する複数の膜層（１）を互いに離隔させ、前記ポリマー光ファイバ（３）は、スペーサとして機能する中間シート（２、８）に組み込まれていることを特徴とする、請求項３に記載の膜モジュール。
【請求項５】
前記ポリマー光ファイバ（３）または各ポリマー光ファイバは、ファイバコア（３ａ）と、前記ファイバコアを取り囲むクラッド（３ｂ）とを含み、前記クラッド（３ｂ）は、少なくとも１つの膜層（１）と接触し、少なくとも１つの部分に切り欠き（３ｃ）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の膜モジュール。
【請求項６】
前記膜層（１）または各膜層は、クラッド（７）内に配置され、前記膜モジュールは、耐流体性および耐圧性のハウジング（６）内に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の膜モジュール。
【請求項７】
前記ポリマー光ファイバ（３）または各ポリマー光ファイバは、送信機（４）および受信機（５）に結合され、前記送信機（４）および前記受信機（５）は、前記ハウジング（６）の外部に配置されることを特徴とする、請求項６に記載の膜モジュール。
【請求項８】
前記ハウジング（６）は、流体用の入口（１６ａ）と透過液（Ｐ）用の出口（１６ｂ）とを有し、前記ポリマー光ファイバ（３）または各ポリマー光ファイバは、前記入口（１６ａ）を通って前記ハウジング（６）に挿入され、前記入口（１６ａ）を通って前記ハウジング（６）を出るか、または前記入口（１６ａ）を通って挿入され、前記出口（１６ｂ）を通って出ることを特徴とする、請求項６または７に記載の膜モジュール。
【請求項９】
前記膜モジュールは、平坦な膜モジュール、渦巻きモジュール、管状モジュール、または中空ファイバモジュールの形態を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の膜モジュール。
【請求項１０】
少なくとも１つのポリマー光ファイバ（３）によって膜モジュールの堆積物を検出する方法であって、前記膜モジュールは透過液（Ｐ）を生成し、少なくとも１つの透過性または半透過性の膜層（１）を含み、
ａ）少なくとも１つのポリマー光ファイバ（３）が、堆積物のその場（in-situ）検出のために前記膜モジュールに組み込まれており、前記ポリマー光ファイバ（３）は少なくとも１つの前記膜層（１）に接触しており、
ｂ）前記堆積物の検出は、前記膜モジュールで前記透過液（Ｐ）が生成されている稼働中の膜分離操作の間に行われる、方法。
【請求項１１】
前記ポリマー光ファイバ（３）は、前記膜モジュールの堆積物の存在および量に関して結論を出すことができる測定値を生成し、前記ポリマー光ファイバ（３）によって生成された前記測定値は、状態を評価するために、および／または前記膜モジュールで行われる膜分離プロセスに介入するために使用される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記膜分離プロセスは、複数の膜モジュール（１１）を含む膜システム（２０）で実行され、ポリマー光ファイバ（３）は、この膜モジュールを前記ポリマー光ファイバ（３）によって測定モジュール（１２）において堆積物が検出される測定モジュール（１２）として機能させるために、前記膜モジュールのうちの少なくとも１つに組み込まれることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記膜モジュールまたは各膜モジュールは、流体の供給流（Ｆ）で充填され、透過液（Ｐ）がそれぞれの前記膜モジュールの前記流体の前記供給流（Ｆ）から膜分離プロセスによって生成されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
堆積物の形成に関する予測を生成するために、前記膜モジュールまたは少なくとも１つの膜モジュールにおいて、前記ポリマー光ファイバ（３）による堆積物の少なくとも１つの検出は、膜モジュールの測定位置で、稼働中の膜分離動作の間に行われ、その測定位置では、前記膜分離プロセスで処理された前記流体の成分の平均濃度と比較して、成分の局所的な濃度の増加が、前記流体内に存在することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記流体は、流れの方向に前記膜モジュールを通過する溶液であり、前記膜分離プロセスは、前記溶液を透過液（Ｐ）と濃縮液（Ｋ）とに分離するために前記膜モジュールの有効領域で行われ、前記ポリマー光ファイバ（３）による堆積物の検出は、前記稼働中の膜分離操作の間に、前記膜モジュールにおける無機堆積物の形成に関する予測を生成するために、前記膜モジュールの前記有効領域の端部に位置する前記膜モジュールの測定位置で行われることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過液を生成する膜モジュールにおける堆積物を検出するための装置および方法を含む膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
膜分離技術では、膜モジュールを使用して、膜モジュールを通過する流体の供給流から透過液と保持液とを分離する。透過液が膜を透過する間、保持液は膜モジュール内の少なくとも１つの透過性または半透過性膜によって保持される。これにより、供給流の低分子物質とポリマー物質とが互いに分離され、保持液は供給流のポリマー成分を濃縮形態で含むため、濃縮液とも呼ばれる。
【０００３】
原則として、膜モジュールは、透過性または半透過性の膜層の複数のシートを含み、シートは、例えば、プレートモジュールを形成するために上下に積み重ねることができるか、または、渦巻きモジュールを形成するために中心ベッセルの周りに渦状に巻かれることができる、例えば平坦な膜シートとすることができる。連続した膜シートの間には、スペーサとして機能し、透過液と（濃縮液とも呼ばれる）保持液とが膜シート間を流れることを可能にする中間シートが配置される。膜モジュールの他の構成は、例えば、縁が共に溶接されている膜ポケットが、穴を有するベッセルの周りに巻かれている膜ポケットモジュール、または中空膜が束に配置され、一端が固定手段により固定されており、中空ファイバは透過液側で開いており、保持液側で閉じている中空ファイバモジュールである。
【０００４】
例えば、特許文献１および特許文献２は、逆浸透およびクロスフロー濾過、特に精密濾過に使用できる渦巻きモジュールを開示している。別の渦巻きモジュールは、特許文献３に記載されている。中空ファイバモジュールは、例えば、特許文献４から知られている。
【０００５】
膜システムでは、膜モジュールは、しばしばモジュール構成を有し、特に直列または並列に接続された回路に配置されており、これは必要な分離プロセスの量（例えば、必要とされるスループット）、および供給流の材料特性、および生成される透過液および保持液の材料特性、特に、溶液に溶解されて分離される粒子の粒径に合わせて膜システムをカスタマイズできる。
【０００６】
膜モジュールは、水処理プロセスおよび濾過プロセスで広く使用されている。例えば、水溶液から分離する物質のサイズに応じて、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、および逆浸透の間で区別が行われ、例えば、膜分離システム内にモジュール式に配置された膜モジュールの膜層を介して、圧力下で粒子を含む溶液を通過させることで分離プロセスを実行する。例えば、逆浸透およびナノ濾過では、３〜２０ｂａｒ（ナノ濾過）および１０〜１００ｂａｒ（逆浸透）の範囲の高圧が必要であるため、膜モジュールの膜層は耐圧性のハウジング、例えば、円筒形の圧力ベッセル内に配置される。ハウジングは、供給流を送り込むための入口と、透過液および濃縮液をそれぞれ排出するための透過液出口および濃縮液出口とを有する。渦巻きモジュールでは、例えば、供給流は渦巻きモジュールの面側から入り、開口部を有する中央の透過液ベッセルに透過液が集められ、渦巻きモジュールから透過液ベッセルを通って排出される。濃縮液は、渦巻きモジュールの反対の端面から出て、濃縮液出口を通って排出できる。
【０００７】
特に水処理および濾過プロセスで膜モジュールを使用すると、堆積物が膜表面に集まり、その堆積物がカバー層を形成し、その中には無機物（例えば、石灰スケール）、コロイド状水成分、および生体膜の形態の微生物が蓄積する。このカバー層は、膜層の分離効率を低下させ、その結果、膜モジュールの定期的および特に周期的な洗浄および洗い流し、または膜層の交換が必要とされる。例えば、膜層を洗浄するために、界面活性剤含有洗浄液を使用できる。長期間にわたって膜層の分離機能を完全なままで維持するには、膜層の目詰まりが発生する前に、膜層を事前に十分に洗浄し洗い流す必要がある。タイムリーな洗浄と洗い流しを確実に行うために、通常、一定の時間公差で洗浄と洗い流し手順が実行され、膜層が詰まるリスクを防ぐ。結果として、膜モジュールはあまりに頻繁に洗浄される傾向があり、これは一方では洗浄および洗い流し流体の大量消費を伴い、他方では洗浄手順が実行されている間、比較的長いダウンタイムを伴い、その間、膜モジュールは分離プロセスを実行するために利用できない。さらに、界面活性剤を含む洗浄流体による膜層の定期的な洗浄にもかかわらず、膜表面での微生物の成長が継続する（生物付着）。生物付着はまた、膜モジュールの分離効率の低下にもつながる。
【０００８】
そのような堆積物を検出する目的で、特許文献５は、逆浸透用の膜モジュールでも使用できる干渉計ベースの検出システムの使用を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＤＥ４２３３９５２Ｃ１
【特許文献２】ＤＥ１０１３０７１６Ａ１
【特許文献３】ＵＳ２００３／０２０５５２０Ａ１
【特許文献４】ＤＥ１０２０１６００４５７３Ａ１
【特許文献５】ＵＳ２００８／００８４５６５Ａ１
【発明の概要】
【００１０】
この技術水準を出発点として、本発明により解決される課題は、膜モジュール、および透過液生成膜モジュールにおける堆積物を検出する方法を利用可能にすることであり、これにより、例えば、膜モジュールの稼働中の任意の時点で、無機堆積物（スケーリング）、有機分子の堆積物、または微生物の成長（生物付着）の形態の堆積物を、膜モジュールに含まれる膜層の表面で検出することが可能になる。本発明によって解決されるべき第２の課題は、膜モジュールに供給される流体の供給流から透過液が生成される膜分離プロセスにおける膜モジュールの稼働中に、膜層の表面上の堆積物を検出することができるように、透過性または半透過性膜層の複数の隣接して配置または積層されたシートを含む膜モジュールをさらに開発することである。この方法を使用すると、従来の膜モジュールを定期的に洗浄して洗い流すために使用される洗浄溶液および洗い流し溶液の量を最小限に抑え、洗浄の間の膜モジュールを膜分離プロセスで使用できない、膜モジュールの洗浄に必要な時間を短縮できるはずである。同時に、洗浄手順の成功を評価することが可能となるはずである。
【００１１】
これらの課題は、請求項１の膜モジュールおよび請求項１０の方法で解決される。膜モジュールおよび方法の好ましい実施形態は、従属請求項から得られる。
【００１２】
本発明によれば、少なくとも１つの透過性または半透過性の膜層を含む膜モジュールにおいて、少なくとも１つのポリマー光ファイバが膜モジュールに組み込まれ、ポリマー光ファイバは少なくとも１つの膜層と接触する。
【００１３】
ポリマー光ファイバは、ポリマー材料（例えば、ＰＭＭＡ）からなるファイバコアと、ファイバコアを囲むクラッドとを含み、クラッド材料の屈折率はポリマー材料の屈折率よりも低いことが好ましい。膜モジュールの内部に配置された部分では、ポリマー光ファイバは好ましくはクラッドに切り欠きを有し、この切り欠きの部分においてファイバコアは露出し、ポリマー光ファイバが配置されているところの周囲と接触している。クラッドは、複数の層を有するように設計することができ、例えば、ファイバコアに隣接して配置され、ファイバコアよりも低い屈折率を有する光学的に有効な内側クラッド層と、保護外側クラッドとを含むことができる。場合によっては、保護外側クラッドの一部を単に除去するだけで十分な場合がある。しかしながら、ファイバのクラッドが（完全に）除去された切り欠きの部分でファイバコアが露出するように、光学的に有効なクラッド層の一部と保護外側クラッドの一部の両方を除去することも可能であり、感度を高めるためには有益である。
【００１４】
膜モジュールの内部では、本発明によると膜モジュールに組み込まれているポリマー光ファイバは、供給流の形態で膜モジュールに供給される流体と接触する。流体の通過の結果として、無機物、有機分子、または微生物の形態の堆積物が膜モジュールの膜層の表面に形成される場合、これらの堆積物のそれぞれの成分はまた、ポリマー光ファイバの表面に、特にこのファイバのクラッドの切り欠きの部分において、ファイバコアに直接沈殿する。堆積物がポリマー光ファイバの表面、特にファイバコア上のクラッドの切り欠きの部分に蓄積すると、ポリマー光ファイバの光学パラメータが変化する。より具体的には、原則として、堆積物は、ポリマー光ファイバのクラッドおよびコアの屈折率とは異なる屈折率を有するため、ファイバの透過率が変化する。例えば、（例えば、スケーリングの場合のように）堆積物がポリマー光ファイバのコアよりも高い屈折率を有する場合、ファイバに結合された光がファイバコアから出るため、透過率が低下する。（例えば、生物付着の場合のように）堆積物がポリマー光ファイバのコアよりも低い屈折率を有する場合、堆積物とファイバコア内の光の全反射によって生成されたエバネッセント波との間の相互作用のために、ファイバの光学パラメータも変化する。堆積物によって引き起こされるポリマー光ファイバの光学パラメータの変化は、例えば、ポリマー光ファイバの一端を電磁放射用の送信機（例えば、光源、特にレーザダイオード）に結合し、ファイバの他端を放射線感応性受信機（例えば、感光ダイオード）に結合することにより検出できる。送信機と受信機を使用することにより、膜の分離機能に影響を与えることなく、膜モジュールの稼働中に、堆積物の増加により変化するポリマー光ファイバの光学パラメータ、特に透過率を検出できる。検出された光学パラメータの変化に基づいて、ポリマー光ファイバの表面に形成された堆積物を定量的に測定できる。しかもポリマー光ファイバ上の、したがって隣接する膜層上の堆積物の量が多いほど、ベースライン状態に対するファイバの光学パラメータの検出された変化が大きくなる。ポリマー光ファイバによって測定された値に基づいて、膜モジュール内の膜層の状態を評価し、膜層の目詰まりを防ぐためにいつ洗浄を行う必要があるかを判断することができる。膜モジュール内のポリマー光ファイバは少なくとも１つの膜層と接触しているため、ポリマー光ファイバの表面に蓄積した堆積物の量は、膜層の表面に蓄積した堆積物の量と同じ範囲にあると推測することができる。したがって、ポリマー光ファイバの光学パラメータの変化の検出に基づいて、膜モジュールの膜層の表面上の堆積物の存在と量の両方に関して結論を出すことができる。
【００１５】
複数の膜モジュールを含む膜システムにおいて、堆積物の測定は、透過液の実際の生成（膜分離プロセス）に使用されるモジュールで必ずしも実行される必要はない。同じ膜分離プロセスが行われるが、出力（濃縮液と透過液）の実際の生産には使用されない並列接続された測定モジュールを使用することにより、例えば、透過液の生成に使用される他の膜モジュールの堆積物の存在に関して結論を出すことができる。
【００１６】
（ファイバの光学パラメータ、例えばその透過率、の変化に対する）ポリマー光ファイバによって測定された値を使用して、膜モジュールの状態を評価する、および／または膜モジュールにおいて実行中の膜プロセスに介入することができる。例えば、ポリマー光ファイバによって測定された値に基づいて、膜層が目詰まりするリスクがあるとき、およびこのリスクを回避するために膜モジュールの洗浄および洗い流しが示されるときを判断できる。膜分離プロセスのプロセスパラメータを変更することにより、堆積物のさらなる形成を減らすことができる。供給流の濃縮中、特に難溶性の塩が膜モジュールで沈殿する可能性がある。ポリマー光ファイバによって測定された値を計算しながら濃度を連続的に変化させることにより、沈殿物の有無を所定の濃度と相関させることができる。したがって、例えば、膜分離プロセスは、沈殿が生じない最大濃度を得るために微調整することができる。
【００１７】
膜分離プロセスへの介入を通して、特に、堆積物が形成し始める点まで可能な限り最高の濃度を達成するためにシステムを操作することができ、および／または計量供給される補助物質（例えば、スケール防止剤又は殺生物剤）の量を最適化することができる。さらに、洗浄プロセスは、例えば、洗浄中にすべての堆積物が少なくとも可能な限り高い範囲まで除去されたことを示す、事前に定義された測定信号を受信したときに、洗浄プロセスを停止することによって最適化できる。
【００１８】
複数の膜モジュールを備えた膜システムでは、本発明に係る膜モジュールの１つまたはいくつかのみにポリマー光ファイバを組み込むことにより利点が達成され、それにより、この測定モジュールの膜層の表面上の堆積物を検出するための測定モジュールを作製することができる。それに基づいて、測定モジュールにおける膜層に蓄積する堆積物の量は、他の膜モジュールに蓄積する堆積物の量と同じ範囲にあると仮定することができる。また、膜モジュールを測定モジュールとして構成すると、例えば内部に組み込まれているファイバに欠陥が生じた場合に、測定モジュールをより簡単に交換できる。
【００１９】
堆積物の検出は、流体からの膜分離プロセス中に分離される成分（例えば、塩）の局所濃度が、平均して膜モジュール内に存在する成分の濃度（特に、塩の濃度）よりも高い膜モジュールの位置で行われることが好ましい。使用される好ましい測定位置は、例えば、膜モジュール内部の停滞ゾーンとすることができ、そのゾーンでは、供給流で膜モジュールに入る流体がより長い期間存在し、したがってより多くの堆積物の形成をもたらし得る。
【００２０】
膜モジュール内部の好ましい測定位置は、例えば、選択された測定位置でポリマー光ファイバのジャケットに切り欠きを作製することにより画定される。
【００２１】
生物付着およびコロイドファウリング（汚損；fouling）の検出のための好ましい測定位置は、例えば、概して膜モジュール内部または膜システム内部の領域であり、その領域は、実際の膜分離プロセスが行われる膜モジュールの有効領域の初期に、流体の流れの方向に位置することを見出した。対照的に、無機堆積物（スケーリング）の検出のための好ましい測定位置は、供給流の流入流の方向に、概して膜モジュールまたは膜システムの有効領域の終期に位置する領域であることを見出した。
【００２２】
本発明に係る膜モジュールは、複数の隣接して配置または積層された、透過性または半透過性膜層のシートを含み、本発明によれば、少なくとも１つのポリマー光ファイバが膜モジュールに埋め込まれるか、または組み込まれ、前記ポリマー光ファイバは、膜層の少なくとも１つのシートと接触している。
【００２３】
有用な実施例では、膜モジュールは、平坦な膜モジュールまたは渦巻きモジュールとすることができ、中間シートが隣接して配置された複数の膜層のシート間に配置され、ポリマー光ファイバまたは各ポリマー光ファイバは、中間シートに埋め込まれるか、または組み込まれる。中間シートは、特に、隣接して配置された膜層と隣接して配置された膜層のシートとを互いに離隔させ、膜モジュールにおける供給物または保持液および／または透過液の材料輸送を可能にするスペーサとすることができる。中間層は、流体が通って流れる網状格子の織物シート、編み込みシート、または格子状シートによって形成することができる。スペーサとして機能するこのような中間シートには、ポリマー光ファイバを組み込むまたは埋め込むことができる。
【００２４】
ポリマー光ファイバは、中間シート内の特定の領域にファイバが到達できるように、スペーサとして機能する中間シートに有利に組み込むことができる。さらに、ファイバコアを囲むファイバのクラッドの局部切り欠きは、膜モジュール内の所望の任意の場所に配置できる。これにより、膜モジュール内部の堆積物の位置感受性検出を実装できる。
【００２５】
本発明に係る膜モジュールに組み込まれたファイバまたは各ファイバは、好ましくは、ファイバコアと、このファイバコアを囲むクラッドとを含み、クラッドの少なくとも一部は、切り欠きの部分でコアが露出するような切り欠きを有する。切り欠きを有する部分は、好ましくは、膜モジュールの内部、例えば中間シート内に配置され、膜層と接触している。
【００２６】
別の可能性は、膜層の内部に位置するファイバの部分がクラッドなしで設計され、膜層の外側に位置するファイバの部分のみがクラッドによって囲まれていることである。これにより、製造コストが削減される。この場合、エンドキャップ、シースなどを備えたモジュールが、膜が接触している空間よりも大きな空間を占めるため、膜層の外側に位置する部分であって、クラッドによって囲まれたファイバの部分は、膜モジュールの構造の内部に配置できる。
【００２７】
本発明に係る膜モジュールは、好ましくは、例えば、ガラスファイバ強化プラスチック製の圧力容器の形態の、漏れ防止の、特に耐圧性のハウジングを含み、このハウジングは、膜分離プロセス中に必要とされる圧力に耐えることができる。半透過性膜層のシートおよびそれらの間に配置された中間シートは、ハウジングの内部に配置され、ポリマー光ファイバは、ハウジングを通って導かれる。例えば、ポリマー光ファイバは、流体の流入供給流のための入口を通ってハウジング内に導かれ、透過液のための出口を通って出ることができる。
【００２８】
ポリマー光ファイバまたは各ポリマー光ファイバは、好ましくは、送信機および放射感応性受信機に結合され、これらの送信機および受信機はハウジングの外部に配置される。ファイバの一方の端部で、送信機は電磁放射線（例えば、光）をファイバに結合し、ファイバの他方の端部で、受信機はファイバコアを通過する放射線の強度を測定する。結合された放射線の強度と、ファイバを通って送られ受信機によって測定された放射線の強度とを比較することにより、ファイバの透過率、特に稼働中の膜分離操作の間のその変化を測定できる。
【００２９】
ポリマー光ファイバによって測定された値は、ポリマー光ファイバの表面、したがってポリマー光ファイバと接触している膜層の表面に形成された堆積物の量についての手掛かりを提供する。したがって、測定された値は、すでに行われた堆積物の形成に関する［情報］に加えて、膜分離プロセスが進行しているときに予想される堆積物の形成に関する［情報］も提供する。したがって、ファイバによって測定された値に基づいて、膜表面の堆積物のその後の形成についての予測を行うことができ、膜分離プロセスに介入することにより、例えば、供給流のスループットの量および速度、および外部圧力、または膜モジュール内部の温度などの外部パラメータを変更することにより、堆積物および生物付着の量の増加を防ぐことができる。その結果、膜モジュールの動作寿命および膜モジュールの全体の寿命を延長でき、生産量を向上させることができる。さらに、洗浄溶液および洗い流し溶液の使用を最小限に抑えることができるか、または洗浄を完全に省くことさえできるため、膜分離プロセスの資源効率が向上する。同時に、洗浄ステップの後、稼働中の分離操作の間に形成する堆積物の測定だけでなく、潜在的に依然として表面に存在する堆積物の検出に基づいて、洗浄手順の成功を確認することができる。
【００３０】
本発明のこれらのおよび追加の利点および構成は、添付の図面を参照して以下により詳細に説明する実際的な実施例から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る透過液を生成する膜モジュールにおける堆積物を検出するための構成の概略図。
【図２】図１に示す構成で使用されるポリマー光ファイバの断面の概略図であり、図２ａは第１の実施例を示し、図２ｂはポリマー光ファイバの第２の実施例を示す。
【図３】膜層とそれに隣接する中間シートとを含む膜モジュール内のポリマー光ファイバの組み込みの概略図であり、図３ａは第１の実施例を示し、図３ｂは膜モジュールの中間シート内におけるポリマー光ファイバの組み込みの第２の実施例を示す。
【図４】渦巻きモジュールの形態の本発明に係る膜モジュールの第１の実施例の図を示す。明瞭にするために膜モジュールは部分的に切り取った図で示されている。
【図５】入口の領域における図４に示すような渦巻きモジュールの形態の膜モジュールの詳細図を示す。
【図６】中空ファイバモジュールの形態の本発明に係る膜モジュールの第２の実施例の図を示す。中空ファイバモジュールは、明確にするために、部分的に切り取った図で示されている。
【図７】渦巻きモジュールの形態の本発明に係る膜モジュールの第３の実施例の図を示す。膜モジュールは、明確にするために、部分的に切り取った図で示されており、膜モジュール内のポリマー光ファイバの組み込みは異なるバージョンで示されており、図７ａのインサートは、膜モジュール内のポリマー光ファイバの組み込みの拡大図である。
【図８】測定モジュールとして機能するように設計された本発明に係る膜モジュールを含む、複数の膜モジュールを含む膜システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、透過液を生成する膜モジュールの堆積物を検出するための構成の図である。膜モジュールは、測定モジュール１２として機能するように設計されており、少なくとも１つの透過性または半透過性膜層（図１には図示せず）と、膜モジュール（測定モジュール１２）内に組み込まれた少なくとも１つのポリマー光ファイバ３とを含み、ポリマー光ファイバ３は少なくとも１つの膜層と接触するように組み込まれている。測定モジュール１２の少なくとも１つの膜層は、漏れ防止ハウジング６内に配置されている。ハウジング６は、特に、膜モジュールの意図された使用に合わせて、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、または逆浸透などの従来の膜分離プロセスで一般的な高圧に耐えることができる圧力容器とすることができる。
【００３３】
ファイバの一端では、測定モジュール１２に組み込まれているポリマー光ファイバ３が送信機に結合され、ファイバの他端では受信機に結合されている。送信機４は、例えば、電磁放射、特に可視周波数範囲の光を生成するシングルモードまたはマルチモードのレーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する場合、送信機４によって生成されたモードを結合するために、モードミキサ１０およびファイバカプラを送信機４とファイバ３のファイバ端部との間に配置し、その端部内に電磁放射線が結合されることは有用である。モードミキサ１０を使用することにより、送信機４によって結合されたモードを、短距離にわたって最も明確で再現可能な、可能性のある方法で分配することが可能になる。ファイバの他端に結合され、放射線感応性検出器（例えば、フォトダイオード）である受信機５は、場合によりスペクトル分解で、ファイバ３を通して伝導される放射線の強度を測定する。
【００３４】
図２は、本発明に係る膜モジュールおよび本発明に係る方法で使用できるポリマー光ファイバ３の２つの実施例を示している。図２ａおよび図２ｂに示す２つの実施例では、ポリマー光ファイバ３は、ファイバコア３ａと、ファイバコアを囲むクラッド３ｂとを含み、ファイバコア３ａはクラッド３ｂよりも高い屈折率を有する。ファイバコア３ａは、例えば、ｎ＝１．４９の屈折率を有するＰＭＭＡから作製することができ、クラッド３ｂは、例えば、ｎ＝１．４２の屈折率を有することができる。図２の両方の実施例では、切り欠き３ｃは、ファイバ３のクラッド３ｂの一部に配置されている。
【００３５】
図２ａの実施例では、切り欠き３ｃはドット以下であり、すなわち、切り欠き３ｃが占める表面積は、クラッド３ｂの表面積と比べて非常に小さい。一方、図２ｂの実施例では、切り欠き３ｃはより大きく、特に切り欠き３ｃの領域は、クラッド３ｂの全周にわたって延在している。切り欠き３ｃの部分では、ファイバコア３ａが露出しており、したがって、ファイバ３が位置している周囲領域と直接接触している。
【００３６】
本発明によって開示されるようにファイバ３が膜モジュールに組み込まれる場合、ファイバコア３ａは、透過液を生成する目的で膜モジュール（図１の測定モジュール１２）を通過する流体と接触する。流体が、膜モジュールの膜層上に堆積物を形成する可能性がある物質、例えば炭酸イオンまたは微生物を含む場合、これらの堆積物形成物質も、したがってファイバコア３ａと直接接触する。結果として、堆積物Ａは、ファイバの切り欠き３ｃの部分で露出しているファイバコア３ａの表面に沈殿する可能性がある。堆積物Ａは、特に、無機堆積物（例えば、石灰スケーリング）、有機分子の堆積物、または微生物の成長（生物付着）であり得る。ファイバコア３ａの露出面上の堆積物Ａの形成が増加するにつれて、ファイバ３の光学パラメータ、特に透過率が変化する。例えば、石灰スケーリングの場合のように、堆積物Ａの屈折率が光ファイバのコアの屈折率よりも高い場合、ファイバから光が出る。堆積物Ａの屈折率がコアの屈折率より低い場合、光の吸収が全反射のエバネッセント場内で検出できる。全反射では、エバネッセント波の形態の反射光が周囲の媒体に数μｍの深さまで入り、ファウリング物質の光学特性に応じて、特定の波長がファウリング物質内でより多く吸収される。例えば、赤みの色を帯びたファウリングでは、エバネッセント場内で緑色光がますます吸収され、この波長の透過率を低下させる。この場合、例えば、低下した透過率が特定の波長で測定されるため、ファウリングが検出される。したがって、様々な種類のファウリングの特定の吸収により、様々な種類の堆積物を区別することができる。
【００３７】
光学パラメータの変化、特にファイバ３の透過率の低下は、受信機５によって検出できる。受信機５によって検出された、ファイバ３の測定された光学パラメータの変化は、切り欠き３ｃの部分に露出したファイバコア３ａ上の堆積物Ａの量の尺度である。
【００３８】
図３の実施例は、膜モジュール（測定モジュール１２）へのポリマー光ファイバ３の可能な組み込みを図式的に示している。図３に見られるように、膜モジュールは、（少なくとも）１つの透過性または半透過性膜層１と、中間層８とを含む。中間層８は、特に、膜層１の積層されたシートを互いに離隔させ、それにより、膜モジュールで処理される流体（例えば、水）が通って流れることができるチャネルを形成するスペーサであり得る。
【００３９】
図３ａが示すように、ポリマー光ファイバ３は中間層２に埋め込まれており、ファイバ３は膜層１に対して直線的に且つ平行に延びている。ポリマー光ファイバ３の外側表面領域は、膜層１の表面と接触している。
【００４０】
図３ｂの実施例では、ポリマー光ファイバ３はループの形態で中間層２に埋め込まれ、ループは屈曲部分３’を含む。部分３’におけるファイバ３の屈曲のために、ファイバ３の光学パラメータは、ファイバが真っ直ぐな（直線的な）線で埋め込まれている他の部分のファイバの光学パラメータと比較して変化する。図３ｂの実施例では、ファイバ３のクラッド３ｂに切り欠きを設けて、これによって切り欠きの部分でファイバコア３ａを露出させる必要は必ずしもない。図３ｂの実施例では、ファイバ３の光学パラメータの変化は、単に屈曲部分３’に堆積物Ａが形成された結果として生じ得る。光学パラメータのこれらの変化は、受信機５によって検出することができ、その結果、ファイバ３の屈曲部分３’の堆積物Ａの存在および量に関する結論を出すことができる。
【００４１】
図４は、本発明に係る膜モジュールの第１の実施例を示しており、その実施例では、ポリマー光ファイバ３が膜モジュールに組み込まれ、膜モジュールは渦巻きモジュール形態の測定モジュール１２である。
【００４２】
図４に示される測定モジュール１２は、透過性または半透過性の膜層１が内部に配置されたクラッド７を含む。膜層１は平坦であり、多層アセンブリに組み込まれている。多層アセンブリは、円筒状の中心ベッセル（中心管）９の周りに渦巻き状に巻かれている。膜層１は円筒状の中心ベッセル９の周りに巻かれているため、半径方向に見たときに膜層１の積層されたシートａ、ｂが形成される。測定モジュール１２は、場合により追加のモジュールと共に、漏れ防止ハウジング（図示せず）内に配置することができる。
【００４３】
図４の部分破断図は、個々のシートａ、ｂの形態を示している。（外側から内側に半径方向に見たときに見られるような）多層アセンブリの各シートａ、ｂは、供給スペーサ８として機能する中間シートと、半透過性材料製の第１の膜層１と、透過スペーサ２として機能する中間層と、半透過性材料製の別の膜層１と、供給スペーサ８として機能するさらに別の中間層とを含む。図４に示すように、ポリマー光ファイバ３は、供給スペーサ８として機能するこの中間層に埋め込まれており、隣接する膜層１と接触している。
【００４４】
図４に示される測定モジュール１２は、入口６ａを有し、処理される流体、例えば水溶液の供給流Ｆは入口６ａを通って送られる。供給流Ｆの流れは、渦巻きモジュールのシートａ、ｂ上に接線方向に配向されている。膜モジュールの膜層１では、流入する供給流Ｆは透過液Ｐと濃縮液Ｋとに分離される。透過液Ｐは、透過液スペーサとして機能する中間層２を通って中心ベッセル９の方向に流れる。中心ベッセル９は開口部を有しており、その開口部を通って透過液が中心ベッセル９の内部に流入する。その結果、膜モジュールで生成された透過液Ｐは中心ベッセル９の内部に蓄積し、そこから出口６ｂに流れ、生成された透過液は出口６ｂを通ってその使用目的のために排出ライン（図示せず）を通して排出される。膜分離プロセス中に形成される濃縮液Ｋは、渦巻状に巻かれたモジュールを通って軸方向に流れ、モジュールの面端部から濃縮液流Ｋの形態で排出される。渦巻きモジュールから出る濃縮液Ｋは、意図された用途のために回収されて排出され得るか、又は、廃棄ラインを介して廃棄され得る。
【００４５】
図５では、図４の膜モジュール１２の入口６ａの領域がより詳細に示されている。図５が示すように、ポリマー光ファイバ３は、中心ベッセル９を通って膜モジュール１２の内部に導かれ、ベッセルから中心ベッセル９の外周面に出て、膜モジュールの１つまたは複数のシートａ、ｂに組み込まれる。図５の実施例に示すように、膜モジュール１２の端部、すなわち出口６ｂの領域では、ポリマー光ファイバはループの形状が続いており、屈曲部３’を有し、したがって、入口６ａの領域に戻る。そこで、ファイバ３は、中心ベッセル９の周辺から中心ベッセルの内部に導かれ、そこから膜モジュール１２の外に出る。図５の図が示すように、ファイバ３の一方のファイバ端部は送信機４に結合され、ファイバの他方の端部は受信機５に結合される。これにより、ファイバ３の表面上の堆積物Ａの形成に起因するファイバ３の光学パラメータの変化を検出することが可能になる。ファイバ３の測定された光学パラメータの検出された変化に基づいて、膜モジュール１２、特に膜層１上の堆積物の存在および量に関する結論を出すことができる。
【００４６】
図６は、ポリマー光ファイバ３が内部に組み込まれた本発明に係る膜モジュールの第２の実施例を示している。図６に示される膜モジュール１２は、中空ファイバモジュールである。それは、耐外圧性で且つ漏れのないハウジング６と、その中に配置された、エンクロージャー（容器）１５によって囲まれた中空ファイバの円筒状束１３とを含む。中空ファイバの円筒状束１３の面側では、束１３の中空ファイバの端部は、それぞれ固定手段１４によって固定されている。固定手段１４は、例えば、埋め込み用樹脂による中空ファイバの端部の埋め込みを含んでもよい。束１３の各中空ファイバは半透過性膜層１を形成し、したがって、中空ファイバモジュール１２が、処理される流体、例えば水溶液で満たされると、流体の流入供給流を透過液Ｐと濃縮液Ｋとに分離させる。流体の供給流を導入するために、中空ファイバモジュールのハウジング６の一端は入口１６ａを有する。中空ファイバモジュールの他端は出口１６ｂを有し、生成された透過液Ｐは出口１６ｂを通って排出される。
【００４７】
図６に示すように、複数のポリマー光ファイバ３が、中空ファイバの束１３に組み込まれており、ポリマー光ファイバ３は、束１３の中空ファイバと平行に延び、それぞれの隣接する中空ファイバの外周面に接触している。したがって、組み込まれたポリマー光ファイバ３のそれぞれは同時に、束１３の複数の中空ファイバと接触している。例えば、ファイバの一端で、各ポリマー光ファイバは送信機４に結合され、他端で受信機５に結合され、それにより、各ポリマー光ファイバ３の光学パラメータ、特にその透過率を検出することが可能となる。したがって、図４および図５の渦巻きモジュールの場合のように、ポリマー光ファイバ３の光学パラメータの変化が検出された場合、図６の中空ファイバモジュールを使用して中空ファイバの外側表面上の堆積物の存在および量に関する結論を出すことができる。複数のポリマー光ファイバ３を使用することで、（中空ファイバモジュールの半径方向の）堆積物の位置選択的検出が可能であり、中空ファイバモジュールのどの位置で特に大量の堆積物が存在するかを決定することができる。
【００４８】
図７は、複数のポリマー光ファイバ３、３’、３’’が一体化された本発明に係る膜モジュールの第３の実施例を示しており、膜モジュールは渦巻きのモジュールである。
【００４９】
図７に示す膜モジュールは、開口部９’を備えた円筒状の中心ベッセル９を含み、このベッセルは、生成された透過液を排出するように機能する。複数のシートで構成された少なくとも１つの渦巻き要素Ｗ（または場合によっては複数の渦巻き要素）が中心ベッセル９の周りに巻かれており、その渦巻き要素は、間に中間層２（透過スペーサ）が配置された第１および第２の膜層１’、１’’と、スペーサ層８（供給スペーサ）とを含む。矩形状の渦状に巻かれた要素Ｗは、中心ベッセル９の周りに巻かれている。渦巻き要素Ｗが円筒状の中心ベッセル９の周りに巻かれると、渦巻き要素Ｗのシートａ、ｂが形成され、これらは半径方向に見たときに互いに重なり合っており、それぞれがスペーサ層８によって分離され、それにより互いに離隔している。スペーサ層８は、流体の供給流Ｆのための供給層として機能し、この目的のために、供給流Ｆが端面上に中心ベッセルの長手軸に沿って軸方向に入ることができるように、膜モジュールの両端面に接続される。スペーサ層８は、格子状または網状構造を有し、プラスチック網または格子状の不織材料で作製でき、スペーサ層８はフィラメント８を含み、フィラメント８は、図７ａの拡大図に示されるように、フィラメント方向ｆに沿って延在し、フィラメント方向ｆに対して互いに直角に交差して配置され、それにより格子状ネットワークを形成する。図７ａに見られるように、ポリマー光ファイバ３は、フィラメント方向ｆに平行に延び、スペーサ層８に組み込まれている。ポリマー光ファイバ３は、スペーサ層８のフィラメント上に配置することができ、これらのフィラメントに接続（例えば、接着）することができるか、またはフィラメントＦによって生成されたスペーサ層８の格子状ネットワークに編み込むことができる。
【００５０】
図７は、ポリマー光ファイバ３をスペーサ層８の格子状ネットワークに組み込むことができるいくつかの方法を示している。第１のポリマー光ファイバ３は、スペーサ層８のフィラメントＦのフィラメント方向ｆに平行に、膜モジュールの一方の端面（入口６ａ）から反対側にある端面（出口６ｂ）まで延びる。渦巻き要素Ｗを中心ベッセル９の周りに巻くと、ポリマー光ファイバ３は中心ベッセル９の周りの螺旋状の経路をたどる。図７の実施例では、第２のポリマー光ファイバ３’は、第１の端面（入口６ａ）でポリマー光ファイバ３’の第１の端部が膜モジュール内に導かれ、クラッド７内でループ形態のポリマー光ファイバ３’がスペーサ層８内に戻るように導かれ、ポリマー光ファイバ３’の他端が第１の端面（入口６ａ）を通って膜モジュールから外へと導かれるように、スペーサ層８内に組み込まれている。図７に示す実施例では、第３のポリマー光ファイバ３’’は、第１の端面（入口６ａ）でポリマー光ファイバ３’ ’の第１の端部が膜モジュールに挿入され、ポリマー光ファイバ３’’の第２の端部は開放されており、例えば反射的であり、スペーサ層８内部で終わるように設計されるように、スペーサ層８内に組み込まれている。ポリマー光ファイバ３’’の反射端では、信号が反射され、信号がポリマー光ファイバ３’’の第１の端部に戻るように導かれており、第１の端部でポリマー光ファイバ３’’は受信機５に結合されている。図７に示すファイバ３、３’、３’’は、個別に、複数の数で、または膜モジュールにファイバを組み込む様々な方法を組み合わせることによって組み込むことができる。スペーサ層８に１つまたは複数のファイバ３を特に組み込むことにより、堆積物の分布の空間分解能を達成することが可能である。堆積物のこの位置感受性検出は、いくつかの部分で光学クラッド３ｂを局所的に除去することにより、さらに微調整することができる。スケーリングは、有効な膜領域の端部と中心ベッセルの近くで始まるので、早期で且つ的を絞った検出を保証することが可能である。同様に、有効膜領域の初期の生物付着を検出するために、１つまたは複数の組み込まれたポリマー光ファイバを使用することができる。
【００５１】
図４の実施例のように、図７の膜モジュールはまた、入口６ａを備えたハウジング（図示せず）を含み、入口６ａを通って、処理される流体の供給流Ｆが送り込まれる。供給流Ｆは、渦巻き要素Ｗのシートａ、ｂ上に接線方向に流れを向ける。膜モジュールの膜層１’、１’’では、流入供給流Ｆは、透過液Ｐと濃縮液Ｋとに分離される。透過液Ｐは、開口部９’を通って中心ベッセル９に流れ込み、そこから、生成された透過液が排出される出口６ｂに流れる。膜分離プロセス中に形成された濃縮液Ｋは、渦巻き要素Ｗを通って軸方向に流れ、渦巻き要素の端面（出口６ｂ）に濃縮液流Ｋの形態で出る。
【００５２】
それぞれ少なくとも１つのポリマー光ファイバ３が内部に組み込まれた上述の膜モジュールは、膜システムの膜モジュールの堆積物を検出するために、複数の膜モジュールを含む膜システムで使用することができる。図８は、複数の膜モジュール１１を備えたそのような膜システム２０の実施例の図を示す。各膜モジュール１１は、流体、特に水溶液の流入供給流Ｆから透過液を生成するように機能する。各膜モジュール１１は、少なくとも１つの透過性または半透過性膜層１を含む。個々の膜モジュール１１は、例えば、渦巻きモジュールまたは中空ファイバモジュールとすることができる。図８の実施例に示すように、個々の膜モジュール１１は、並列接続回路と直列接続回路の両方で結合することができる。図８の実施例は、並列接続された膜モジュール１１が直列に配置された「クリスマスツリー回路」を示している。供給流Ｆは、入口を通って膜システム２０に供給され、膜分離プロセスによって膜システムで生成された透過液Ｐは、膜システム２０の出口を通って排出される。
【００５３】
膜システム２０の膜モジュール１１の堆積物を検出するために、このシステムは、本発明によれば、図８に示すように測定モジュール１２、１２’として機能する２つの膜モジュールを含む。測定モジュール１２、１２’として機能する膜モジュールは、例えば、図４および図７に示されるような渦巻きモジュール、または図６に示されるような中空ファイバモジュールとすることができる。各測定モジュール１２、１２’は、少なくとも１つの透過性または半透過性の膜層１と、測定モジュールに組み込まれた少なくとも１つのポリマー光ファイバ３とを含む。例えば、膜システム２０では、１つの膜モジュール１１または複数の膜モジュール１１を測定モジュール１２、１２’と交換することができる。代替案として、測定モジュール１２、１２’はバイパスライン１３、１３’に組み込むことができる。その場合、測定モジュール１２、１２’は、膜システム２０のバイパスライン１３、１３’に配置される。その場合、これらのバイパスライン１３、１３’を通って導かれた供給流Ｆの流体は、堆積物を検出するためだけに測定モジュール１２、１２’を通って流れる。測定モジュール１２において膜分離プロセス中に生成される出力Ｏ、Ｏ’は、透過流Ｐに供給されないが、バイパスライン１３、１３’を介して膜システム２０から排出され、処理される。
【００５４】
図８の実施例に示されるような測定モジュール１２、１２’の構成は、堆積物の形成のリスクがある膜システム２０内の測定位置を特に選択することを可能にする。生物付着を検出するためには、流体の供給流Ｆが導入される膜システム２０の入口の領域の測定位置を使用することが好ましい。一方、無機物の堆積（スケーリング）を検出するためには、下流領域、すなわち膜システム２０の出口の領域の測定位置が好ましいことを見出した。
【図１】
0006884434.tif 000002
【図２（ａ）】
0006884434.tif 000003
【図２（ｂ）】
0006884434.tif 000004
【図３（ａ）】
0006884434.tif 000005
【図３（ｂ）】
0006884434.tif 000006
【図４】
0006884434.tif 000007
【図５】
0006884434.tif 000008
【図６】
0006884434.tif 000009
【図７】
0006884434.tif 000010
【図７ａ】
0006884434.tif 000011
【図８】
0006884434.tif 000012