新型回転膜分離装置の紹介
New

RotarySeparation

SystemIntroductionofMembrane(技)第2研究開発部第4研究室
田谷克
Katsuyoshi

杭出Yoshiya

Kuide
田高Kazutaka

義Tanida義也‑貴Takata

膜分離技術は,従来の分離技術と比較して省エネルギー,小設置面積等の利点を有するため,さまざまな工業的分離プロセスヘ適用されている｡しかしながら,膜分離には元来透過流束を低下さ也せる濃度分極とファウリングという問題があるため,分離プロセスの中でも特に固形分の多い溶液の分離には適用が困難であるなど,適用範囲が制限されている｡そこで膜分離技術の適用分野の拡大を目的として,当社ではこれら問題点を克服した新しい回転膜分離装置を開発した｡この新しい装置は,高回転で膜円板を回転させて膜表面近傍の溶液にせん断力と遠心力を与えて濃度分極とファウリングの影響を低減させてろ過抵抗を小さくすることができるため,高透過流束,高濃度での操作が可能である｡また,積層した膜円板間に独自形状のバッフルを挿入することにより,膜円板間での溶液の入れ替えを活発にして停滞を防ぐとともに乱流を発生させ膜表面せん断速度を大きくしている｡本装置を使用することにより,砂ろ過などの前処理が不要となるため膜分離プロセスの簡略化や従来のクロスフロー方式では適用が困難な高濃度溶液濃縮などへの適用が可能となる｡

Membraneit hasgreat

anotheradvantage

the

such

separatetof山Ⅹ bypeⅢ1eate

andpolarization

membrane
betweenandtoreducing

has

reducingfields of membrane

bysurfacelaminated
generate

rotating membranedisks both

membranetheshearツフ

themembraneseparation

problems,

for

the

suspendedpurposewith highoperate

influencesofcentrifugal

fわrce inthespeed.

stagnation

it is possiblefunctionalof solutions
tomakefhx

ofmachine,tothewithtechnology

permeatetheAndcomparedof

it decreases
andbecause

separation

membrane

1t is possible

high

at

prevent

this system,

断 速theratedisks

whereんrotarybecause

Using

分

which

preventing

apply

乱
ノ〈

cause
the decreasewhichafairly amountincludetoand

回せfbuling,

theprocesses,

equlPment

theturbulence.

pre‑treatment,

inseparation
theproblems

teclmology.

tofor

orlglnal

and/orseparation

footprint

small

and

industrial

various

thesolutions
developedconcentration
uslng this machine,thefbulingby generating
and

膜

12

thenewly

andtoapplysavlngHowever,polarization

promotehighenergydifficultPantectoexpectedconcentration

still making
Therefore,
ShinkoapplicablelS
asteclmologleS.

separation

as

such

technology

separation

thebetweensolid.
canwhich
ofexpanding
flux
permeate
concentration

solutionbafflesthenearareinstalled

membranedisksseparation processsimpleis difficult to use.

conventionalcross‑flowsystem離

Membraneseparation(filtration)

転Rotation

度

Shear

流

Turbulenceル

B affleisbyrate

神鋼パンテツク技報

Vol.

45

No.

1(2001/8)

CJま えがき

1.装置の概要

膜分離技術は,近年さまざまな分離プロセス‑の1.

適用が検討され,発展を続けている｡これは,膜分1装置の構造
新型回転膜分離装置の実機構造図を第1図に,外離技術が精密な分離が可能,省エネルギー,省スペー

観写真を写真1にそれぞれ示す｡本装置は,ろ過体スといった従来の分離技術よりも優れた特長を有しである膜円板を回転軸に所定間隔で積層する形で取ているためである｡しかしながら,膜分離を行う際り付け,さらに膜円板間にバッフルを挿入して圧力には,濃度分極現象により膜表面近傍の溶質濃度が容器内に納めた構造となっており,軸封部分のシー上昇しケーキやゲルの発生が起こり,高濃縮操作がルにメカニカルシールを使用している｡以下にそれできない,ファウリングにより膜に目詰まりや汚れぞれの構成要素の特長について解説する｡が発生するといった問題があるため,特に高濃縮操膜円板は,ステンレス製の円板の両面に透過液の作を行うアプリケーションへの適用は困難と考えら流路となるスペ‑サークロスを挟んで平膜を貼り付れている｡

けた構造となっている｡円板がステンレス製のため,このような膜分離技術の問題を解決するために,当社では新型の回転膜分離装置を開発した｡新型回転膜分離装置は,膜円板を高回転数で回転させるこ)とにより,膜表面の溶液にせん断力と遠心力を与えて膜表面において高いせん断速度を発生させ濃度分極とファウリングを低減することができる｡また独自形状のバッフルを積層した膜円板間に挿入することにより,円板間での溶液の停滞を防止して膜の回転の効果を十分に引き出す｡これらの効果により,従来の膜分離装置では適用が困難であった高透過流束,高濃縮アプリケーションでも膜性能を十分に発揮することができる｡
写真1

本稿では,この新しく開発した回転膜分離装置のPhoto

回転膜分離システム外観写真
I

Photograph

特長と性能について紹介する｡
Bearing
Vesselof rotary

membraneseparationsystemunit

B a丘1eMembraneSeal}

diskcase/Sha氏

y e{tne8teBearing

unit

≡
⊂〉く=〉
N威
Motorち

第1図

回転膜分離装置

Fig.

1

Schematic

Vol.

45

No.

1diagrams(2001/8)

実機構造図
ofrotarymembraneseparationsystem

神鋼パンテツク技報

18従来の回転膜分離装置で多く用いられている樹脂製に示す｡原液タンクに溜められた溶液は,ストレー円板の数倍の強度を有し,高速回転下でも円板の変ナーで爽雑物等が取り除かれた後,供給ポンプに送形等が発生することがなく,高い信頼性を発揮する｡

られる｡供給ポンプで操作圧力に昇圧された溶液はこの膜円板を回転軸に取り付けて回転軸とともに高回転膜分離装置の圧力容器内に供給され,膜円板で速で回転させて膜分離を行う｡ここで,膜円板上の膜分離される｡膜を透過した溶液は回転軸の中空部

平膜を透過した透過液は膜と円板間のスペ‑サーク分を通って系外‑排出される｡また,濃縮された溶ロスを流路として回転軸への取り付け部分である膜液は圧力容器入口の反対側に設置された濃縮液出口

円板内周部へ向かって流れ,回転軸に設けられた集から排出される｡

水孔から回転軸内の中空部分を通って装置外に排出

本装置では取り扱う溶液の性状と処理目的に応じされる｡て,濃縮された溶液を容器出口から原液タンクへ返回転軸はたわみ･変形等を極めて小さく抑えるベ送する回分濃縮,ワンパスで系外に排出する連続濃

く高い剛性を有する機械軸となっており,重いステ縮,あるいは両者を組み合わせた半回分濃縮を選択

ンレス製の円板を高速回転させても振動などは発生して行うことが可能である｡

しない｡また回転軸は前述したように膜円坂上の平1. 2

膜を透過した透過液を集水して移送するために中空(1)濃度分極とファウリングの低減となっている｡

装置の特長

本装置では,直径600mmの膜円板を400rpmとバップルは,膜円板間で乱流を発生させ,また積層された膜円板が回転することによる溶液の供回りいう高回転数で回転させることにより,膜分離を行う際に問題となる濃度分極とファウリングをクロスと停滞を防ぐため,膜円板間のクリアランスごとにフロー方式と比較して大幅に低減することができる｡

数枚ずつ挿入される｡このバッフルは,アプリケー

これは,膜の高速回転により膜表面近傍の溶液に与ションごとに最適な枚数を挿入可能である｡また,えられるせん断力と遠心力の効果である｡これらのこのバッフルは挿入することにより装置内の圧力損相乗効果により下記に示すような特長が発揮される｡

失が大きくならない形状となっている｡(2)高透過淀束

膜円板が所定間隔で取り付けられた回転軸は圧力

膜分離を行う際の透過流束は,膜の抵抗と濃度分容器内に収められるが,この回転軸の軸封にはメカ極層の抵抗により決まるが,本装置では膜表面近傍ニカルシールを用いている｡メカニカルシールの材
質と構造は,取り扱う溶液に応じて変更が可能であ低減する濃度分極層の抵抗が低下する｡このため,り,さまざまなアプリケーションへの対応が可能とクロスフロー方式と比較して特に高濃度で高透過涜なっている｡

束を発揮する｡またファウリングが低減されるため,t･の濃度分極層の形成が低減されるため,透過流束をこの新型回転膜分離装置のフローシートを第2図

透過流束の低下がクロスフロー方式と比較して緩やb
Concentration
l
E又it

Feed

Membranelト一局

disk

Bafne

一丁]
l･･･■

FI
Feed tallk

Concentration

I
Motor

ExitFII Pemeate

Sha氏
Rotary
Feed

第2図
Fig･

14

回転膜分離装置
2Flow

sheet

Pump

membraneseparation system

フローシートof rotary皿embrane

separationsystem

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かである｡そのため,額繁な膜の薬品洗浄の必要が表面の溶液が乱流状態となる｡これにより,上述しなくなり膜の寿命をのばすこともできる｡

たような膜の高速回転の効果が十分に発揮される｡(3)高濃縮処理が可能

また,バッフルの形状は,バッフルの挿入により圧膜表面近傍の濃度分極層の形成が低減され膜表面力容器内の圧力損失が大きくならないように工夫さでのケーキやゲルの発生が起こり難くなるため,高れている｡

濃縮が可能となる｡また,膜の回転によりチキソト(6)容易なメンテナンス
本装置は膜を回転させてはいるが,通常の膜分離ロビー性を有するスラリーの粘度が低下することも高濃縮処理が可能な要因である｡

装置と同様に全自動運転が可能なため,維持管理が(4)高阻止性能容易となっている｡また,前述のようにファウリン

膜の阻止性能は,膜が同じならば濃度分極層の濃グが低減され透過流束の低下が緩やかであるので,度が低いほど高くなる｡これは,膜を透過する溶質膜の洗浄インターバルを長くすることができる｡
装置の大きさは膜面積25m2の装置で1500mmXの濃度が膜表面濃度に比例するためである｡本装置(設置面積3m2)であり,非では上述したように膜表面近傍の濃度分極層の形成

2000mmX1200Illmが低減され膜表面近傍での溶質濃度が低下するため,常にコンパクトな設計となっている｡

膜を透過する溶質の濃度が低下する｡このため,本2.装置の性能と適用分野
2.

1装置の性能J装置では膜が同じでも阻止性能がクロスフロー方式と比較して高くなる｡(1)透過流束と高濃縮(5)テナッドスペースがない

第3図に新型回転膜分離装置とクロスフロー方式

上述したように回転膜分離装置では膜円板を積層を使用して測定したラテックス懸濁液の透過流束として膜の充填効率を上げるため,溶液が膜円板間にラテックス濃度の関係を示す｡測定は膜間差庄400停滞する問題が発生する｡この問題を解決するため

良pa,操作温度25℃でUF膜を使用しておこなった｡に本装置ではバッフルを膜円板間に挿入している｡

図の縦軸は透過流束,横軸はラテックス濃度であり,このバッフルの挿入により膜円板間の溶液の出入り

図中の記号●は新型回転膜装置での透過流束,が可能になるため溶液の停滞が防止され,さらに膜クロスフロー方式での透過流束である｡△は図からわかるように,回転膜分離装置ではクロスフロー方式と比較して透過流束が大きくなっている｡

50

またラテックス濃度約50wt%ではクロスフロー方UFMembrane:Transmembrane

40

Operatlng
Sample:式の透過流束がほぼ0となるのに対して,回転膜分kPapressure:400
temPerattlre:25

oC

離装置の透過流束は約5L/m2nlrであり,さらに高Latex濃縮が可能であることがわかる｡
I{∫●

第4図に同じく新型回転膜分離装置とクロスフロー‑;30方式を使用して測定したラテックス懸濁液の透過流J束と運転時間の関係を示す｡測定は膜間差庄400〉く

a20kPa,操作温度25℃でUF膜を使用して行った｡囲U‑

cdUの縦軸は透過流東,横軸は運転時間であり,図中のg

記号●は新型回転膜装置での透過流束,￡ 10△はクロスフロー方式での透過流束である｡●A
0102030Concentration

第3図Fig.

●RotaryA

Cross‑now

4050

membrane

3Relationshipofrotary

cross一口ow

45No.

1

betweensystem(2001/8)

リングによる透過流束の低下は見られず透過涜束が式と比較して透過流束が大きいことがわかる｡以上

separation systemの結果から,回転膜分離装置はクロスフロー方式とsystempermeate

membrane

固から,運転時間約120時間ではあるが,ファウ安定していることがわかる｡また,クロスフロー方of latex [wt%]

比較して高濃縮が可能であり,また安定した透過流

回転膜分離装置とクロスフロー方式の透過流束と濃度の関係
tion

Vol.

▲

flux

separation

and束を得られることがわかる｡

concentra‑system(2)阻止性能and

第5図にNaCl溶液を使用して測定したNaCl阻

神鋼パンテツク技報154050Membrane :NF
Operatlng temperature:25
Sample:NaCl

4030l{

●,jコ

●

●●wt%

[邑30JMembrane

コ
C=oC

●●竜〉く

i.0:U下∈](⊃Transmembrane

20Operatlng

UkPa

pressure:400

●,ロ
くJOoC

tempera山re:25
20

Sample:Latexe6q)●

曾20＋‑I

wt%U

∈

▲■ll

10Fh▲

▲▲

▲

▲

▲

(弓q)

Z
10＋ Rotary
A030Fig･

separatior) systemsystem90(;00perating

第4図

membranecross‑flow

Time120

Relationshiprotarymembrane

between[hr]● Rotary

flux

permeate

separation

system200300Transmembrane

回転膜分離装置とクロスフロー方式の透過流束と運転時間の関係
4100

150timeandand▲

第5図

500

separation

600

[kPa】
systemsystelT)

回転膜分離装置とクロスフロー方式のNaC=阻止率と膜間差庄の関係

ofcross‑flow

membraneCross‑flow

400
pressure

Fig1

5

systemRelationshipbetween

NaCl

brane

pressureof rotary

andcross‑flowsystemrejection

membraneもtransmem‑andseparation

system

止率と膜間差圧の関係を示す｡測定は操作温度25℃,NaCl濃度1.Owt%でNF膜を使用して行った｡

50● Baf□e inserted

図の縦軸はNaCl阻止率,横軸は膜間差庄であり,A

図中の記号●は回転膜装置でのNaCl阻止率,△はNobafnel{
ー40

クロスフロー方式でのNaCl阻止率である｡
N

図からわかるように,クロスフロー方式では膜間差庄を上昇させてもNaCl阻止率があまり上昇しないのに対して,回転膜分離装置では操作圧力の上昇とともに直線的にNaCl阻止率が上昇しており,膜が同じでも回転膜分離装置のNaCl阻止率はクロスフロー方式よりも大きいことがわかる｡以上の結果

＼,+【]

己i30

●*

∋
【i∃OMe日 20

Operatlng

gSal¶ple:Latex 10 wt%‑

qJ:

mbraneUFoC

temperature:25

P<t10から,同じ透過水質が求められる場合には回転膜分離装置ではクロスフロー方式よりも分画性能が低く透過流束の大きい膜を使用できるので,膜面積の低0減が可能である｡

100200Transmembrane(3)バッフルの膜分離性能に及ぼす影響

第6図

第6図にバッフルの挿入効果を比較した結果を示

Fig.

300

400

pressure

500

600[kPa]

バッフル挿入効果
6Influenceofinsertingbafne

す｡測定は操作温度25℃,ラテックス濃度10wt%でUF膜を使用して行った｡図の縦軸は透過流束,することにより透過流束が大幅に向上し回転効果が横軸は膜間差庄であり,図中の記号●は本装置のバッ十分に発揮されていることがわかる｡

フルを使用した場合の透過流束,△はバッフルを挿入しない場合の透過流束である｡

このバッフル挿入効果の模式図を第7図に示す｡
図中の(a)はバッフルによる溶液の入れ替えの模式図

固からわかるように,バッフルを挿入しない場合である｡バッフルが挿入されていない状態では膜円は透過流束が小さく溶液の供回りと膜円板間での停板間の溶液は粘性の影響により膜円板と供回りをし滞のために膜の回転の効果が効率よく発揮されていて膜円板間に停滞してしまう｡しかしながら,バッないことがわかる｡また,本装置にバッフルを挿入フルを挿入することにより,バッフルの膜円板回転16

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第1表

回転膜分離装置の適用分野
I

Table
BarnApplicationof rotaryFieldMembranedisk(a) Replacemellt

sollltionbetween
discs by bafnes

Ofmembranemembraneseparation

systemeApplicationChemicalProcesslng

Pulpand

Paper

PaintandPigment

Valuables
recovery
Process
treatment
water
Water
from
recovery
waste
Paint concentration

WasteandPollution

Paint recovery
fromOil concentrationin

Minerals

Municlpal

Latex
concentration
Colloidal
silica concentration

water

BOD
CODandreduction
Calcium
Carbonateconcentration
Water

All kindsof mineral
Water
purification
Sludge2.2waste
water

water

concentration

concentration

適用分野

第l表に本装置の適用分野の一例を示す｡本装置
は濃度分極とファウリングを低減し高濃縮が可能であるため,従来のクロスフロー方式が適用可能な分J野のみではなく,濃度分極ヤフアウリングのために
disk

Membrane(b) Generating

turbulence

月ow

direction

ormembrane

従来のクロスフロー方式では適用が困難であり蒸発

by ba圧Ies

濃縮などの従来技術に頼らざるを得なかった難ろ過→

Rotating

‑→

Flow

第7図

膜円横間へ挿入したバッフルの効果の模式図

Fig.

7

disk

性物質や高濃度の製品の濃縮へも適用が可能となっdirection ofsolution

Schematic

diagrams

betweenlT)embraneof influencedisksofinserted

た｡また,従来のクロスフロー方式では前処理が必bafne

要であった分野に対しても,前処理なしで膜分離をおこなうことが可能なため,プロセスの効率化をおこなうことができる｡

方向上流側で膜円板間への溶液の吸い込みが起こり,∫む

すび

下流側で膜円横間からの溶液の排出がおこなわれる｡

新しく開発した回転膜分離装置は,膜の高速回転

この作用により,膜円板間での溶液の停滞が防止さとバップル挿入の効果により濃度分極とファウリンれる｡また(b)はバッフルによる乱流発生の模式図でグを低減することができるため,これまでのクロスある｡粘性の影響により膜円板と供回りしようとする溶液がバッフルを通過する際,バッフルの前後でフロー方式では処理が困難であった難ろ過性物質や高濃縮操作が可能である｡また,上述の効果により乱流が発生する｡この効果により,膜表面の濃度分透過流束の安定化,洗浄インターバルの延長,透過極層とバルク間の溶液の撹拝が起こる｡また,バッ水質の向上等の利点も発揮される｡新開発の回転膜

フルを溶液が通過する際は流路が狭くなるために流分離装置を使用することにより,これまでクロスフ速が上昇しせん断力が大きくなる｡これらの相乗効ロー方式の膜分離装置が適用されてきた技術分野で果により,膜円板を積層した状態でも膜円板間でのの処理効率が向上するのみではなく,遠心分離や蒸溶液の供回りと停滞が防止され,また膜の回転によ発濃縮で行われていた高濃縮処理‑の膜分離技術のる濃度分極やファウリングの低減の効果が効率よく適用が可能となり,プロセスの改善と処理コストの発揮される｡

低減が期待される｡

連絡先
谷田

克

義

技術開発本部
第2研究開発部
第4研究室

TEFAX
E‑mailVol.

45

No.

1L

078‑992‑6525
078‑992‑6504

k.tanida@pantec.co,1'T)(2001/8)

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