JP7004043B1 - セラミック平膜 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック平膜の機械的強度の向上と水処理の安定化を図る。【解決手段】セラミック平膜１は、セラミックスからなる板状の多孔質支持体２１と、この多孔質支持体２１の外面に形成されるろ過膜２２とを備える。多孔質支持体２１の内部には、処理対象水がろ過膜２２を透過して得られたろ過水が流通する複数の集水チャンネル２が形成される。また、この多孔質支持体２１の内部には、集水チャンネル２の間隔が異なる領域が確保される。【選択図】図１

Description

本発明は、水処理に適用される平膜状のセラミック膜（以下、セラミック平膜）の構造に関する。

セラミック平膜は水処理においては固液分離の過程で利用される（特許文献１等）。例えば図１５の矢印で示した処理対象水１１に浸漬されたセラミック平膜１の排水側からポンプ等により吸引すると処理対象水１１が膜表面から膜内部の集水路である集水チャンネル２に透過する。そして、この透過で得られた同図の矢印で示したろ過水１２は前記吸引により集水チャンネル２の一端側から系外に移送される。また、セラミック平膜１の運用においては、ろ過水１２を集水チャンネル２側から膜表面側に適時に逆流させることで膜表面の目詰まりが解消及び抑制される。さらには、図１６（ａ）に示したようにセラミック平膜１の下方から膜洗浄用の空気１３を連続的または間欠的に供給して膜表面において空気１３の供給方向に沿う中央部で最大となる放物線状に分布する矢印方向のせん断力を生じさせて前記目詰まりの解消が図られる。

特開２０１４－２８３３１号公報 特開２０１５－１１２５２７号公報

セラミック平膜１の運用においては、膜表面に対する空気１３の供給いわゆる散気により膜表面の目詰まりの解消及び抑制が図られるが、電力消費量の観点から空気１３の供給量を最小化が求められる。セラミック平膜１の洗浄に必要なせん断力を生ずるためには所定の供給量の空気が必要となる。

また、空気１３の供給量の低減化を図ると、セラミック平膜１に生じるせん断力は空気１３の供給方向に沿う中央部で極大となるが同方向に沿う端部側で極小となり（図１６（ｂ））、この中央部と端部側での洗浄効果の差が顕著となるので、安定な水処理が困難となる。

さらに、セラミック平膜１を構成するセラミック基材は、物理的及び化学的に安定であるが、脆性材料に分類されるので、機械や設備の誤操作または天災等の不測の事態により、当該基材の機械的強度の許容値を超える応力が生じた際に破損するおそれがある。

本発明は、以上の事情を鑑み、セラミック平膜の機械的強度の向上と水処理の安定化を図ることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、セラミック平膜であって、セラミックスからなる板状の多孔質支持体と、この多孔質支持体の外面に形成されるろ過膜とを備え、前記多孔質支持体の内部には、処理対象水が前記ろ過膜を透過して得られたろ過水が流通する複数の集水路が形成され、当該集水路の間隔が異なる領域が確保される。

本発明の一態様は、前記セラミック平膜において、膜洗浄用の空気の供給方向に沿う端部の近辺の領域での前記集水路の間隔は、当該近辺以外の領域での前記集水路の間隔よりも広い。

本発明の一態様は、前記セラミック平膜において、前記供給方向に沿う中央部の前記集水路の間隔は、前記近辺以外の領域での他の前記集水路の間隔よりも広い。

本発明の一態様は、前記セラミック平膜において、前記近辺の領域での前記集水路は、当該近辺以外の領域での前記集水路よりも横断面が小さい。

本発明の一態様は、前記セラミック平膜において、前記多孔質支持体の一端部には、前記集水路の一端開口部から供された前記ろ過水を排出する排出部が固着される。

以上の本発明によれば、セラミック平膜の機械的強度の向上と水処理の安定化を図ることができる。

本発明の一態様である実施形態１のセラミック平膜の横断面図。 実施形態１の膜表面に対する堆積物の付着状態を示した横断面図。 本発明の一態様である実施形態２のセラミック平膜の横断面図。 実施形態２の膜表面に対する堆積物の付着状態を示した横断面図。 本発明の一態様である実施形態３のセラミック平膜の横断面図。 実施形態３の膜表面に対する堆積物の付着状態を示した横断面図。 実施形態３の膜内部における逆洗薬剤の浸透状態を示した横断面図。 本発明の一態様である実施形態４のセラミック平膜の横断面図。 膜表面と集水チャンネルとの間の厚みとろ過水の流速との関係の説明図。 実施形態４の作用効果を説明したセラミック平膜の横断面図。 （ａ）実施形態４における逆洗時の作用効果を説明したセラミック平膜の横断面図、（ｂ）当該実施形態の膜内部における逆洗薬剤の浸透状態を示した横断面図。 本発明の一態様である実施形態５のセラミック平膜の横断面図。 本発明の一態様である実施形態６のセラミック平膜の横断面図。 本発明の実施例と比較例の膜差圧の経時的な変化を示した特性図。 セラミック平膜の内部構造を示した斜視図。 （ａ）通常の洗浄風量によりセラミック平膜に生じるせん断力の分布図、（ｂ）通常よりも少ない洗浄風量によりセラミック平膜に生じるせん断力の分布図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１に示された実施形態１のセラミック平膜１は、図１５に示したように、セラミックスから成る板状（例えば長板状）の多孔質支持体２１と、この多孔質支持体２１の外面に形成されるろ過膜２２とを備える。

多孔質支持体２１の基材は、金属酸化物からなり、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、あるいはこれらの混合物等が適用される（特許文献２）。

ろ過膜２２を構成する無機材料は基材と改質材との多孔質複合体である。前記基材は例えばアルミナが、前記改質材は例えばチタニアが好適である（同文献）。

また、多孔質支持体２１の内部には、処理対象水１１がろ過膜２２を透過して得られたろ過水１２が流通する集水路として集水チャンネル２が複数並列に形成される。さらに、前記内部には、集水チャンネル２の間隔が異なる領域が少なくとも２つ確保される。

特に、図１のセラミック平膜１においては、膜洗浄用の空気１３の供給方向（図１６）に沿う端部３の近辺の領域Ａ１（空気１３の供給が比較的少ない領域）での集水チャンネル２の間隔Ｄ１が、前記近辺以外の領域Ａ２（前記供給が比較的多い領域）での集水チャンネル２の間隔Ｄ２よりも広く設定される。

そして、図１６に示したように、セラミック平膜１の短手方向の少なくとも一端部には、集水チャンネル２の一端開口部から供されたろ過水１２を排出する排出部としてヘッダー４が液密に固着される。一方、セラミック平膜１の短手方向の他端部には、集水チャンネル２の他端開口部を封止する封止部としてフッター５が液密に固着される。尚、ヘッダー４は、セラミック平膜１の短手方向の両端部に備えて、この両端部からろ過水１２を排出してもよい。

図１，２，１５及び１６を参照して本実施形態のセラミック平膜１の作用効果について説明する。

ポンプ等による吸引により図１５の処理対象水１１がセラミック平膜１の膜表面２０による固液分離に供されるとろ過膜２２を透過して集水チャンネル２内にろ過水１２が得られる。そして、ろ過水１２はセラミック平膜１のヘッダー４から系外に排出される。

一方、図１６の処理対象水１１に含まれる汚泥等の固形成分は、図２に示された集水チャンネル２に対応したセラミック平膜１の表面に堆積する。そして、このセラミック平膜１の前記固形成分の堆積物１０は、図１６のセラミック平膜１の下方に配置された散気管６から供給された膜洗浄用の空気１３による気泡のせん断力により除去される。

前述のようにセラミック平膜１の領域Ａ１のせん断力は領域Ａ２のせん断力と比べて弱くなる（同図）。これに対し、本態様のセラミック平膜１は、領域Ａ１の集水チャンネル２の間隔Ｄ１が領域Ａ２の集水チャンネル２の間隔Ｄ２よりも広く確保されたことで、領域Ａ１での前記固形成分の堆積量が領域Ａ２での当該堆積量よりも少なくなる（図２）。したがって、領域Ａ１において領域Ａ２よりも小さな前記気泡のせん断力による堆積物１０の除去が可能となり、セラミック平膜１全体にわたって堆積物１０を均一に除去できる。

また、間隔Ｄ１が確保された領域Ａ１は堆積物１０が少ない領域となるので、セラミック平膜１と堆積物１０との間に空気１３の気泡が入り込みやすくなり、領域Ａ１での洗浄効果が高まる。

セラミック平膜１への過度な荷重により割れが生じる際、領域Ａ１における応力集中が当該割れの起点となる。セラミック平膜１は、領域Ａ１の集水チャンネル２の間隔Ｄ１が領域Ａ２の集水チャンネル２の間隔Ｄ２よりも広く確保されたことで、領域Ａ１のセラミック基材量が相対的に高くなり、セラミック平膜１の機械的強度の向上に繋がる。

［実施形態２］
図３に示された実施形態２のセラミック平膜１は、領域Ａ２での膜洗浄用の空気１３の供給方向に沿う中央部Ｃの集水チャンネル２の間隔Ｄ１が領域Ａ２での他の集水チャンネル２の間隔Ｌ２よりも広く設定されたこと以外は、実施形態１と同様の態様となる。

以上のセラミック平膜１によれば、領域Ａ２において中央部Ｃの集水チャンネル２の間隔Ｄ１が他の集水チャンネル２の間隔Ｄ２よりも広く確保されたことで、図４に示したように、堆積物の剥離の起点となるポイントを形成できる。したがって、実施形態１の効果に加えて、長期間安定的な固液分離が行える。また、空気１３の気泡によるせん断力が最大となるセラミック平膜１のセラミック基材の部分（中央部Ｃ）が補強されるので、セラミック平膜１全体の機械的強度がさらに高まる。

［実施形態３］
図５に示された実施形態３のセラミック平膜１は、領域Ａ１での集水チャンネル２の横断面Ｓ１が領域Ａ２での集水チャンネル２の横断面Ｓ２よりも小さいこと以外は、実施形態１と同様の態様となる。

以上のセラミック平膜１の態様によれば、実施形態１と同様の作用効果が得られる。特に、実施形態１のセラミック平膜１よりも、端部３の近辺でのセラミック基材量が増加するので、セラミック平膜１の機械強度がさらに高まる（図６）。

尚、本実施形態の集水チャンネル２の横断面Ｓ１，Ｓ２は、実施形態２のセラミック平膜１すれば、このセラミック平膜１の機械強度の向上を図ることができる。

［実施形態４］
セラミック平膜１は、次亜塩素酸ナトリウム等の薬液を集水チャンネル２側から表面に送り出す洗浄方式（薬液逆洗）により、膜内部及び表面に付着した膜閉塞の原因物質が化学的に除去される。このとき、例えば図７に示された実施形態２のセラミック平膜１の内部においては、薬液の浸透部分Ａ３と非浸透部分Ａ４とが発生する。非浸透部分Ａ４は、バイオフィルムが成長して膜閉塞によるろ過効率の低下を招くことがある。

そこで、図８，９に示された実施形態４のセラミック平膜１は、薬液逆洗が適用されるセラミック平膜１において、膜表面２０と集水チャンネル２との間の厚みが異なる領域を確保することで、高フラックスと機械強度の向上を図る。

図９のセラミック平膜１は、集水チャンネル２が等間隔に形成される一方で領域Ａ１での膜表面２０と集水チャンネル２との厚みＬ４が領域Ａ２での膜表面２０と集水チャンネル２との厚みＬ３よりも大きく設定されたこと以外は、実施形態１と同様の態様となる。また、膜表面２０に沿う領域Ａ１，領域Ａ２の集水チャンネル２の内径Ｌ２，Ｌ１は同値に設定される。

集水チャンネル２は等間隔で形成されることが望ましいが、使用条件等によっては実施形態１と同様に、領域Ａ１での集水チャンネル２の間隔Ｄ１を、端部３側以外の領域Ａ２での集水チャンネル２の間隔Ｄ２よりも広く設定してもよい。

図８～１１を参照して本実施形態のセラミック平膜１の作用効果について説明する。

図９に示されたように吸引ポンプ等により生じるろ過の駆動力である圧力差Ｐは集水チャンネル２の形状及びサイズに関わらず均等となる。一方、膜透過の抵抗Ｒは膜表面と集水チャンネル２との距離により異なる。そのため、集水チャンネル２の内径が小さく、膜表面２０と集水チャンネル２との間の厚みが大きくなる場合、ろ過水の流速Ｑは小さくなる。同図の領域Ａ１，Ａ２の集水チャンネル２において、内径Ｌ２＝内径Ｌ１且つ厚みＬ４＞厚みＬ３の場合、流速Ｑ１＞流速Ｑ２となる。流速Ｑ１は、厚みＬ３の膜表面２０，集水チャンネル２間のろ過水の流速を示す。流速Ｑ２は、厚みＬ４の膜表面２０，集水チャンネル２間のろ過水の流速を示す。つまり、セラミック平膜１の閉塞の程度は集水チャンネル２の形状に影響を受ける。

以上のセラミック平膜１によれば、領域Ａ１での膜表面２０と集水チャンネル２との間の厚みＬ４が領域Ａ２での膜表面２０と集水チャンネル２との間の厚みＬ３よりも大きいので、領域Ａ１と領域Ａ２との間で処理量の差が生じる。図１０に示したように処理対象水が多くろ過に供されるセラミック平膜１の領域Ａ２はより多くの閉塞物質が堆積するが、散気による洗浄効果が高いため、安定的にろ過の継続が可能となる。特に、領域Ａ１と領域Ａ２との間で堆積物１０の厚みに差が生じるので、同図のように堆積物１０の段差部分が気泡による剥離の起点ＳＰとなり、従来よりもろ過効率を向上させることができる。

そして、逆洗時には、図１１（ａ）に示したように領域Ａ２の集水チャンネル２，膜表面２０間の逆洗液の流速Ｑ１が領域Ａ１の集水チャンネル２，膜表面２０間の逆洗液の流速Ｑ２よりも多くなるので、逆洗浄の効果が大きくなる。このとき、局所的に存在する大きな集水チャンネル２を起点にフィルム状の閉塞物質が剥離して除去される。さらに、薬液逆洗時には、同図（ｂ）に示したように逆洗液または薬液が集水チャンネル２の周辺領域Ａ５に浸透してセラミック平膜１の全体に染みわたるので、洗浄効果が高まる。

また、ろ過と逆洗の切り替え時は、装置や手順の不具合により、流速の急激な変化により管内圧力が過渡的に上昇または下降するウォータハンマー現象が発生する場合がある。この現象が生じると、セラミック平膜１に圧力がかかると同時に振動が発生し、発生する負荷の程度によりセラミック平膜１の破損原因になる場合がある。

これに対し、本実施形態のセラミック平膜１は、膜表面２０と集水チャンネル２との間の厚みが異なる領域が形成されることで、多孔質支持体２１の内部に部分的な厚みが確保される。これにより、セラミック平膜１の機械的強度が向上し、ウォータハンマー現象によるセラミック平膜１の破損を防止できる。

以上の実施形態４によれば、セラミック平膜１の散気洗浄（エア洗浄）に加えて逆圧洗浄（逆洗、薬液逆洗）の効率を高めることで、膜閉塞の原因物質が効率的に除去され、高フラックスの実現が可能となる。

［実施形態５］
図１２に示された実施形態５のセラミック平膜１は、領域Ａ１での集水チャンネル２の横断面形状が円形となっていること以外は、実施形態４の同様の態様となっている。

本実施形態によれば、領域Ａ１の集水チャンネル２の断面積が領域Ａ２の集水チャンネル２の断面積よりも小さくなるので、実施形態４と同様の作用効果が得られることが明らかである。特に、領域Ａ１での集水チャンネル２が円形を成しているので、領域Ａ１での機械的強度が向上し、外部負荷に強いセラミック平膜１が得られる。

［実施形態６］
図１３に示されたセラミック平膜１の集水チャンネル２の横断面が膜洗浄用の空気の供給方向に沿うセラミック平膜１（多孔質支持体２１）の中央部Ｃから端部に近づくにつれて小さく設定されること以外は実施形態５のセラミック平膜１と同様の態様となっている。例えば、同図に示したように領域Ａ１における領域Ａ２寄りの集水チャンネル２の横断面はセラミック平膜１の厚み方向に対して非対称の形状（例えば、領域Ａ１での集水チャンネル２の横断略長方形よりも横断面が小さい横断面Ｄ型）に形成される。

本実施形態によれば、実施形態４，５と同様の作用効果が得られるが、散気風量に応じて集水チャンネル２の集水量を調整でき、より効率的にろ過が可能になる。

表１は、実施形態１～３に各々基づく実施例１～３のセラミック平膜１の機械的強度を従来技術に基づく比較例のセラミック平膜の機械的強度に対する相対値により示した。機械的強度は、セラミック平膜の破損に至る局所的な荷重の値を比較した。

表１の結果から明らかなように、実施例１～３によれば比較例よりも機械的強度が得られ、特に実施例３によれば機械的強度のさらなる向上が図れることが示された。

また、図１４に実施例１～３と比較例の膜差圧の経時的な変化を示した。

実施例１～３及び比較例において、ろ過フラックスは１．２７ｍ／日、逆洗流速はろ過時の２倍、散気風量はろ過時の１０倍、運転サイクルはろ過時間９．５分、逆洗時間０．５分に設定した。逆洗によるろ過水の戻りを含んだ正味の運転フラックスは１．０８ｍ／日とした。

図１４の膜差圧の経時変化によると、比較例の膜差圧は初期時から経時的に大幅に上昇する一方で実施例１～３の膜差圧は初期値から小幅な上昇で推移することが認められた。このことから、実施例１～３によればセラミック平膜を用いた固液分離による水処理の長期的な安定化が図られることが示唆される。

以上の実施形態１～３のセラミック平膜１によれば領域Ａ２よりも領域Ａ１の前記固形成分の堆積物１０の量を低減することが可能となり、散気によるセラミック平膜１の表面の洗浄効果が高まる。特に、膜洗浄用の空気１３の供給方向に沿うセラミック平膜１の端部３付近での膜閉塞を防止できる。また、セラミック平膜１の領域Ａ１（実施形態３の場合は領域Ａ１及び中央部Ｃ）での機械的強度が高まり（表１）、機械や設備の誤操作や天災等の不測の事態によるセラミック平膜１の破損の危険性を低減できる。

１…セラミック平膜
２…集水チャンネル（集水路）
３…端部
４…ヘッダー（排出部）
５…フッター（封止部）
６…散気管
１０…堆積物
１１…処理対象水
１２…ろ過水
１３…空気
２０…膜表面
２１…多孔質支持体
２２…ろ過膜
Ａ１，Ａ２…領域
Ａ３…浸透部分、Ａ４…非浸透部分
Ａ５…周辺領域
Ｄ１，Ｄ２…間隔
Ｃ…中央部
Ｓ１，Ｓ２…横断面
Ｌ１，Ｌ２…内径（膜表面に沿う内径）
Ｌ３，Ｌ４…厚み
Ｑ１，Ｑ２…流速

Claims (4)

1. セラミックスからなる板状の多孔質支持体と、
   この多孔質支持体の外面に形成されるろ過膜と
   を備え、
   前記多孔質支持体の内部には、処理対象水が前記ろ過膜を透過して得られたろ過水が流通する複数の集水路が形成され、当該集水路の間隔が異なる領域が確保され、
   膜洗浄用の空気の供給方向に沿う端部の近辺の領域での前記集水路の間隔は、当該近辺以外の領域での前記集水路の間隔よりも広いことを特徴とするセラミック平膜。
2. 前記供給方向に沿う中央部の前記集水路の間隔は、前記近辺以外の領域での他の前記集水路の間隔よりも広いことを特徴とする請求項１に記載のセラミック平膜。
3. 前記近辺の領域での前記集水路は、当該近辺以外の領域での前記集水路よりも横断面が小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック平膜。
4. 前記多孔質支持体の一端部には、前記集水路の一端開口部から供された前記ろ過水を排出する排出部が固着されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセラミック平膜。

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