振動型膜分離装置『vsEP⑧』の紹介
Membranetechnology

separation
Enhanced

Vibratory

using

Shear(VSEP).

Processing

技術開発本部

高研究開発部田Kazutaka

小西

Yoshioorplugglng(Vibratory

Shear

U･S･

thetheresistances
tangential

motioninobtainablevarietywide

plgment,

まえがto

to

municlpal

Processing)bymarket

the

on

the

conventionalofEnhanced
Japaneseindustrial
water

membranefaceor thesurfacemembrane.

crossflow

membraneapplications

such

supply,

waste

has

beenwater

きCol,

becauseof

VSEP

cantheIt

systems.
aschemical,fromintroduced

PantecShinko

paper

Ltd･

has
in

movement

attainabout
has
been
in
pulp,

Logic

New
It

food,

tenuseaafouling

200andVibratory
flow
rate
in

sites

phermacutical,

palnt

theandtreatment.

1950年代に入って海水の脱塩操作に用いられたのを皮切りに,1960年代の非対称膜製膜技術

1.装置の概要
1.

1駆動機構及び装置のプロセスフローの発明によって逆浸透膜法と限外ろ過膜法が広く利用され

1.

1.

るようになった｡これら膜分離法が大幅に普及した背景に

1駆動機構

写真1に装置(VSEP

は,次に示すように他の分離方法(たとえば,沈降分離法,浮上分離法,イオン交換法,蒸発法等)にはない大きな特Seriesi)の外観を,第1図にその模式図を示す｡装置の構成要素はフレーム,振動荷重,トーションスプリング,フィルターパック,モーター(標準的には10HP),偏JL､荷重ならびに制御装置である｡モー長があることによる｡
完全分離の実現と清澄ろ過水を得ることが出来る｡

ターにより偏心ベアリングを回転させて振動荷重を60Hz(B)分離対象に応じて,ミクロンオーダーから分子サイで振動させ,トーションスプリングを介してフィルターパッズまで種々の孔径を有する膜を選定出来る｡

クに水平面内の円周方向に振幅5‑10度の往復運動を与えるようになっている｡フィルターパック内では平膜を装着(C)極めて広範囲の物質に対する適用性(膜の種類)
しかし,膜分離法は大きなイニシャルコストと低い処理したプレートが100段以上重ねられている｡この等区動シス量の問題もあって,高付加価値型プロセスに使用されてい三三芸孟?i莞.i.?.ee＋ci‑ミ芸るのが現状である｡応用範囲の広い限外ろ過膜法には,逮常クロスフロー方式に代表されるように膜表面に形成されせん断力は膜面近傍の境界層に流体のみを保持する役割をるゲル層に起因するろ過流束の著しい低下の問題と,高濃縮後でも流動性を持たせなければならないという要求から果たす｡その結果流体中のスラリーは振動により生ずる境界層(膜表面)に接することなく濃縮側出口より流出する｡

低濃度スラリーを高濃縮出来ないという技術的限界がある｡

従ってポンプにより適正な圧力を加えることで従来型クロ今でもこれら問題の解決が製造プロセスや廃液処理プロセ

スフローろ過装置にくらべて高いろ過流束を得ることが出来る｡

ス中の膜分離工程の効率を高める上で不可欠である｡
当社は,このたび米国NEWLOGICINTERNATIONAL
社により発明された振動型膜分離装置(VibratoryEnhanced

Shear

Processing‑VSEP)を導入して販売を開始した｡この装置はフィルターパック(膜モジュール)を振動させることにより膜表面に高せん断を与えるという特長ある駆動機構を有しており,彼処理液のファウリング(膜の目VSEPの振動機構を考える上で装置を,構成する2つの荷重に分けることが出来る｡
1つば軽荷重のフィルターパックでありもう一方は重荷重の振動荷重である｡これら2っがトーションスプリングにより固定されている｡軽荷重の振幅は重荷垂のそれよりも大きく,この振幅は両者の荷重比に比例して変化する｡

詰まり)やプラッギング(流路の閉そく)を大幅に抑制する

振動は,モーター軸に取り付けてある偏心荷重を高速でことが出来ることを特長としている｡従って,代表的な従来型クロスフロー型膜分離装置に較べて,最大で10倍近く回転させることにより振動荷重を振動させる｡この振動ののろ過流束を実現している｡また従来型クロスフローろ過装置では処理出来ない高濃度スラリーの処理が可能になっ28

義Tanidaている｡次にVSEPの内容について詳述する｡

膜による分離工程は,

側雄Internationallarge

vlgOrOuS
times
theover

嘉克田
Katsuyoshilnc･

貴Iくonishi

谷VSEP

‑

Takataエネルギーがトーションスプリングを介してフィルターパックに伝達される｡モーターの回転数が大きくなると振動数も大きくなりやがて装置の固有振動数に達するが,神鋼パンテツク技報

Vol.

40

No.

VSEP

1(1996/9)

St ainlesssteel
filterpackpiplng

喜一cFieux,i13ieghose[Feedandpermeatepipes]t【TRIPOD''
pipil一gaSSemblyFilterpack[36りta11shownhere]㌔

steel frame

Tube『Pipecoupling
Torsi()nsprlng

Controlcircuitryー̲/Vibrationdrive∩not()r120HPTEFC]

Vnjration

drivemoしorl

FleEblecoupling

spccdc()ntr仁)ller】

Jl

Driveshaft

Eccentricァeight‑
drivebearlngaSSemblv｢｢Seismicmass且4LIs｡1｡to,隻+Le＼･eling mount≡

Drive shaft guard[Removed for illustration]

第1図Fig.

VSEP
1SeriesSchematiciの模式E4

diagram

or

写真1
VSEP

Series

i

Photo

1

VSEP

Seriesi

VSEP

Series(工業スケール)の外観
i unit,(industrialscale)

では装置の固有振動数を回避しこの周波数以上の振動周波数にすることで振幅を小さくしており,結果的にトーショフィルターパック中JL､部へ流れその上部から排出される｡
なお,フィルターパックの濃縮側配管出口には制御バルンスプリングの直径が小さくなっている｡なおVSEPのトーションスプリングに関してはその寿命を無限回数の繰り返し振動に耐えるよう設計されている｡

ブが取り付けられている｡濃縮率ほこのバルブの閉鎖時間

フィルターパックの振動制御を行うにはモーター回転数の精密なインバータ制御が必要である｡そのためVSEPフィルターパック内でスラリーが固まpってプラッギングを生じさせないようにすることにある｡
1. 2
装置の特長にはモーター回転数の制御装置が取り付けられており,モーター回転数を0.01Hzで制御する｡モーター回転数の適正な調整を行うことにより安全な運転と安定した性能の実現が可能になる｡
1.

1.

2

装置のプロセスフローに比例するため,所望の濃縮率に達したときバルブが開くよう制御するようになっている｡バルブ開閉の基本操作は(1)高流束VSEPによる流束は,従来型クロスフローろ過装置の数倍‑10倍になる｡(2)膜面へのファウリング防止写真2はVSEPを用いた基本的な処理設備を示したもVSEPではフィルターパックの振動によって膜面に液体のであり,第2図はその流れを示すブロックフロー図である｡供給タンク内の被処理液をポンプでVSEPのフィのみの高せん断揚が形成されるため膜面が常にクT)‑シな状態に保たれる｡従って,VSEPでは従来型クロスフロールターパック上部から供給し,ろ過液をフィルターパック上部から,濃縮液を下部からそれぞれ取り出す｡
VSEPは基本的に1パス操作である.第3図にフィルターパック内ろ過装置にみられる流東低下が少なく,長時間安定した流束の維持が可能になっている｡第4園はこの振動がファウの構造を示す｡第3図に示すようにフィルターパック内でクロスフロー式ろ過装置の場合と比較して模式的に示したものである｡従来型クロスフローろ過装置では膜表面へのは幾枚もの平膜が最大7mmの間隙を介して重ねられている｡濃縮液は各段の間隙を流れて最終的にフィルターパック下部より排出される｡また膜によりろ過された清澄液は
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No.

1

(1996/9)

リングの要因となる流体中の微粒子に及ぼす効果を従来型

ファウリングによって膜孔が塞がれるためろ過抵抗となりろ過流束が低下する｡しかしVSEPでは膜表面が高せん

神鋼パンテツク技報

29standard

V*SEPunit

WaterlFeedslurry[Valve2]

V*SEP
FeedpumpScreen【constantpressure][20r□eshl
To wasteorToorbackdrain∫/
to feed

Valveitank:｢1､o Ⅵ′asteノdrain
or back
to feed tankdrain
waste′/
back
to feed tal止

1check

valve

Clear
permeate

C()nccntrate[Sludgc]

第2囲Fig.

VSEPシステムのブロックフローダイアグラム
2BlockflowdiagramofVSEPsystem･Permeate

F.R.P.

Feedoutlnslurrypipe

Di vertertray

Feedslurryout

Econcentrated]

転0‑ring retainer
Ollng
Membrane
Drain cloth
Stainless steel tray
Draincloth
MembranerTm

1
Ei….胃苫rs.Es:‑≡eecrtil?oSn
VSEP

Seriesi.

断場となっているためファウリングが防止されろ過流束が一定値に維持される.
(3)高濃度スラリーの処理が可能
従来型クロスフローろ過装置では処理液粘性(スラリー濃度)が大きくなると膜面のせん断力が低下するため膜面VSEPでは膜面に振動を与えるにファウリングを生じる｡
ためたとえ粘性の大きい液体やスラリーが流れても膜面に常にせん断揚が形成されファウリングが防止される｡またスラリーそのものに振動に基づくせん断力を与えることでスラリーの流動性を助長する｡この挙動は被処理液に振動を加えることで粒子間に捕捉されている水分が自由水となって流動を開始する結果みかけの粘性係数が低下する現象を
写真

2VSEP

photo2VSEPand∂〃

Seriesiの配置例
Seriesi unittanks).

利用したものである｡(withfeedtank,pump,(4)高効率vsEPでは膜面を動かすエネルギーの大半が膜面近傍の

神鋼パンテツク技報

vol.

40 No.

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●x･●●

‡ミ

●

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Ah〜.くl一Ed｢コ⊂]=(⊃(勺｢【コE::⊃(⊃●●〔□●●'･･..･i'･'.'･.･･･

CqII

M embralle

Crossflow

第4図Fig･!:';･2･●●●

filtration

Ⅴ☆SEP

膜表面の流れを示す模式図(従来型クロスフロー嬉過装置とVSEPとの比較)
4Motionofslurryonthemembraneascomparedthewith

流体にせん断力として変換される｡従来型クロスフローろ

filtration

crossflowsystem

180

速で流さなければならず,スクリーンや曲がり管の圧力壬呂に投入されたエネルギーがファウリングを防止するせん断カヘ変換される効率は10%程度と小さい｡

irl the200

過装置ではこのせん断力を発生させるために配管内を高流失ならびに各種配管抵抗を考慮した場合,液体輸送のため

motionET

5160
140{201()0V⊂]

こ=′U(5)機械的信頼性の保証

竜VSEPの駆動部分はト‑ションスプリングと偏JL､ベアリ0→80∈ 60ングの2箇所であり,前者はその繰り返し応力に対する寿命が半永久になるよう設計されている｡後者には自動潤滑

sec￣￣1

Crossflow&40SEP10()OnO10n psi

25 OO9 sec￣135 pst[Tubular]

201()

機構が採用されている｡

2()

30(6)コンパクト設計27rrfのフィルターパックをもつVSEPの設置面積は第5国1.1rrfでよい｡従来型クロスフローろ過装置で同じ膜面積を有する設備はこの10‑50倍のスペースを必要とする｡

Fig.

4()

50

Elapsed

time

60

70

80

9()

｢hoursl

ラテックス濃縮における遁過流束の変化(従来クロスフ
ロー避退装置との比較)
5(7)簡単なテスト
顧客のサンプルを使ってVSEPの性能を実証することがComparison
filtration

andof permeated
VSEPfor

flux
Latex

betweencrossrlow(9.5wttreatment%).

出来る｡ VSEPでは逆浸透膜(RO,NF),限外ろ過膜(UF),精密ろ過膜(MF)等に代表されるあらゆる膜種を使ってろの濃縮にVSEPが適用出来る｡膜分離法を適用すること

過テストを行い,サンプルに合致した膜の選定を行うこと

で,エネルギー使用量が大きい蒸発器を使用するよりも低が出来る｡

コストで濃縮が可能になる｡また,反応缶洗浄廃水からラテックスを回収することでこの洗浄廃水の廃棄コストを大幅に削減した実績がある｡このような膜法は従来型クロス(8)低コストの実現
VESPでは前述した特長のために省エネルギー,処理時間の短縮,膜面積の減少,膜の交換回数とクリーニング回数の低減,設置面積の減少,馬区動部分のメンテナンスの減少を実現した｡これら特長が膜分離システムに寄与する経フローろ過装置でも適用可能であるが,ファウリングによって長時間安定した運転が出来ないのが現実である｡ところがVSEPを用いると,振動によるファウリング防止機能に済効果は大きい｡

より従来よりも高流束でしかも長時間安定して運転できる

績

2.実

紹

介

ことが立証された(第5図)0

VSEPはそのフレキシブルな適用性から,化学,食品･飲料,医薬,印刷塗料,紙パルプ,廃水処理,鉱石,浄水･テックスにはPVC,下水処理,石油化学工業分野等極めて広範囲の産業分野に

2.に,第1表に実績をまとめた｡
1ラテックス濃縮
化学工業分野の代表的製品の1つであるラテックスはそ

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ABS,VSEPが適用されているラSBラテックスなどがある｡これらラテックスの濃縮実績は第1表中に示されている｡

実績がある｡次にVSEPの主要な実績例を紹介すると共
2.

1002
炭酸カルシウム濃縮
地下水からの炭駿カルシウム回収やフィラー用炭酸カルシウムの濃縮にVSEPが適用されている｡その濃縮率も極めて高く,数%から60%までの濃縮が出来ている(第1表参照)｡このような特長から米国で使用実績が高い適用

神鋼パンテツク技報

31

第1表
TablevSEP
1の実績

Applications

orVSEP

Application

Chemical[wt%]Rate[L/m2/hr]

Membrane

UF
UF

2454

C

1643124

UF

D

4060109UF

315213MF

Silica540175

UFAcid

238138

NF

550114

NF

Phosphoric
Acid

PaperandBleach

PlantBlack

LiquorClaririerWhiteEffluent

PPM
75

NF

41

NF
UF

Overflow

UF

43

Water

Pigment

andChromium

Yellow

Cobalt

20425

NF

7294

NF

2170

UF

4270

UF

Blue

Electrolyte
Latex

Paint

Paint
Pollution

andOil

296

B

Oxide

Arsenic

63398

Colloidal

Waste

Final

23

A

Aluminium

Paint

[wt%]

Processing

Latex

Pulp

lnit.

in

3

50

70

UF

13255

UF

Water

Paint

Plant

ScrubberWash

Effluent

12146

NF

345

NF

BOD

Reduction

0.3

SilverRecovery

0.5

1540

UF

246

53

NF

0.5

50

28UF

975

UF

510

UF

111

UF

255

UF

52

170

UF

50340

UF

Bentonitell24UF

Alumina

58340

UF

60

85

UF

Biosludge
White

Water

Organic

Municlpal
Well

PPM

Dyewater

Water

Activated

SludgeReclaimed

Water

O.3

32

Minerals
Tri‑metal

SlurryKaolinCalcium

32

Carbonate

神鋼パンテツク技幸臣

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Drainage￣￣

i//Mernbrane=ウFi】trateout

i/i
ii
第6図

VSEP

Series

Lのフィルターパック模式

図Fig.
Concentrate

out

Feed〟

I

6

Schematic

inmodule2.

3

diagramfor

VSEPof membrane
Seriesi.

抗生物質の濃縮

VSEPは抗生物質の濃縮と洗浄操作に使用されている｡
初期濃度2 %の原料を36%にまで濃縮したものをスプレー
ドライヤにて乾燥後最終製品にする｡既存の濃縮法をとらずにVSEPを採用した理由の1つばコンパク卜であることと,最大の理由として分画分子量200の膜を用いてTOC,COD,BODの除去が出来たため,これら不純物処理のための工程が不要になったことである｡
2. 4
廃水処理
自動車製造設備からの廃水処理にVSEPが適用されている｡廃水中には有害物質が含まれており,これら有害物質の除去に1週間で数百万円を要した｡限外ろ過膜を装着したVSEPを用いることで廃水スラリーを濃度50%のスラッジに濃縮してこれをボイラーにより焼却している｡この結果約4カ月でVSEPの原価償却を果たした｡
2. 5
顔料･色素顔料･色素の濃縮や洗浄操作にVSEPが適用されている｡
従来からこれら操作にフィルタープレス機が使用されてきたが,この装置の操作には常にオペレ一夕の配置を必要とし,しかもろ布のメンテナンスと交換回数にコストがかかっていた｡

VSEPでは常時オペレ一夕を必要とせず,従来装置にくらベてほるかに少ないメンテナンスで運転が出来てVSEPを用いて色素を約40%にまで濃縮出来ている｡飲料水ろ過

いる｡

2.

6

世界各国が飲料水に関する法規制を施行する中で,これまで対象外であった微粒子や微生物コンタミの除去が必要
写真
Photo

33

VSEP

SeriesL(ラボスケール)の配置例

VSEP

SeriesLunit,laboratoryになってきた｡これらを凝集沈殿法や活性炭吸着法等の従来技術で除去することになると多大の設備とコストが必要となる｡これら処理に膜分離装置を適用することで規制値scale.

をクリアする水質の飲料水製造が低コストで可能になる｡
vsEPに代表される膜分離装置を用いることで薬品使用量,設置面積の減少が期待出来るばかりか,浄水汚泥の大幅削減が可能になる｡
分野とされ,

1杜より約100機の受注を果たしている｡また他のユーザーでは2年間無停止での運転実績から,今後

3.適用性の検討
神鋼パンテツクでは技術研究所にテスト用VSEP
Series

10年間で全世界50プラントにVSEPを導入することになっLを配置した｡写真3にVSEPた｡

0.045 m2,振動周波数約60Hz,振幅25‑30mmの範囲で操Vol.

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神鋼パンテツク技報

SeriesLを示す｡膜面積∂∂作することが出来る｡第6図にフィルターパック部の模式図を示す｡この図に示すように,この装置には各種逆浸透

Plastic powder膜(RO,NF),限外ろ過膜(UF),精密ろ過膜(MF)が簡単に取付可能であり,顧客のサンプルに応じて最適な膜の選定が可能である｡またスラリー濃度を変化させてろ過テストを行うことにより,最適な操作条件の特定,必要膜面積の決定(スケールアップ)が出来るようにしている｡
第7図にSeries
Lを使って,ろ過流束に対するスラリー濃度依存性を測定した結果を示す｡

Series800

800

Lでは実際の濃U⊂:)寸

JJd700760.0.1㌔600q)

cbool+500o500oJ=

盲 400400＼30030020〔)

200

く⇒Hコ〔ェー

縮テストは出来ないが,供給濃度を徐々に上げていく方法100100くじ
ヒdにより任意濃度のろ過流束を得ることが出来る｡ろ過流束〔13l‑はスラリー濃度の上昇と共に低下する傾向にある｡本デー
Seriesiは1タに基づき実機(Seriesi)の計画を行う｡

i

パス操作なので上流側はどスラリー濃度が低いため透過流束が大きく,下流ほどスラリー濃度が高くなるため透過流

2010q)
:>

Solid

第7図
Fig.

[%]

漉過流速のスラT)一濃度依存性の一例
7

Effectof permeated

flux

on

slurryconcentration

束が小さくなる｡この操作を1つのフィルターパック内で行うため高濃度スラリーまで処理が可能になる｡
びむす
振動型膜分離装置VSEPはその優れた特長と幅広い適用る高度な膜分離技術によりプロセス改善と製造コストの削減が期待される｡
なお,食品･医薬分野(製造プロセス,廃水処理プロセ性から,膜分離装置の適用領域を大幅に拡大した｡従来型
クロスフローろ過装置では適用困難であった高濃度スラリー

スを含む)への振動型膜分離装置の販売権は米国PALL杜の脱水,洗浄,濃縮操作が可能になったため,従来からこれら高濃度スラリーの処理に使用されてきた遠心分離機,蒸発機,フィルタープレス機や真空型回転ドラムフィルターのライセンスになっている(商品名PALLSEP)｡
神鋼パンテツクは米国PALL社と業務提携契約を締結し,等にくらべて低コストで処理が可能になった｡

34

VSEPによ日本市場における食品･医薬分野への振動型膜分離装置の販売も行う｡

神鋼パンテツク技報

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