JPH0669530B2 - クロスフロ−濾過システムの流束率を向上せしめる方法並びに装置 - Google Patents

クロスフロ−濾過システムの流束率を向上せしめる方法並びに装置

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JPH0669530B2
JPH0669530B2 JP59043017A JP4301784A JPH0669530B2 JP H0669530 B2 JPH0669530 B2 JP H0669530B2 JP 59043017 A JP59043017 A JP 59043017A JP 4301784 A JP4301784 A JP 4301784A JP H0669530 B2 JPH0669530 B2 JP H0669530B2
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シー．ピー．シー．エンジニアリング コーポレイション
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は液体、特に水、廃水、工業排水、及び工業用水
から懸濁したコロイド状固体及び／又はエマルジョン化
された油を除去するためのクロスフロー（cross flow）
過に関する。更に詳しくは、本発明はクロスフロー
過媒体を通過する前述のような固体及び／又は油を含ん
だ液体の時間平均流量（以下“時間平均過流束”と云
う）を増加せしめるための方法と装置に関する。
水及び廃水処理において懸濁したコロイド状固体の除去
のために浄水器及びスルーフロー（through flow）フィ
ルタが多く使用されている。これらのシステムは固有の
欠点を有している。予備浄化がないと、殆んどのフィル
タは固体負荷の高い廃水を取扱うことができない。同じ
ように浄水器を用いても連続処理の間に過された粒子
が連続的にスルーフローフィルタ媒体の上及び中に集積
する。過流束率は時間と共に減少し（即ちヘッド損失
が増加し）、フィルタ媒体から集積した固体を除去する
のにしばしば逆洗浄が必要となる。過された水が逆洗
浄のために用いられる場合には全水生産量のかなりの実
質減少が生ずる。引続いて処理を要するかなり大量の固
体含有量の低い廃水もまた生ずる。又フィルタの破損通
過の問題もある。その上、水質は工程によって非常に異
なる。
クロスフロー過はスルーフロー過と本質的に異なっ
ている。即ち供給水はフィルタ面に平行に導入され、
過は供給流の方向に垂直に生起する。クロスフロー過
は広い範囲にわたって適用でき、他の従来方法にない経
済的利益を提供する。クロスフロー過システムは浄
化、過及び一つの処理段階における濃縮に用いること
ができる。装置のコストは直接過のコストに近いが、
クロスフロー流過は10,000mg/l以上の懸濁固体濃度を
有する液流を過する能力を有する。更にクロスフロー
システムは従来のシステムよりも少なくスペースしか要
しない。クロスフロー過システムは微細過、逆浸透
及び超過などの薄膜システムを包含する。固液分離に
おける後二者の薄膜処理の主たる欠点は低流束率と汚れ
に対する感受性である。これらの信頼性は結局システム
の高い建設費と運転コストをもたらす。しかしながらこ
れらの問題は二つながらハイドロパーム（HYDROPERM、
登録商標）の商品名で販売されている壁の厚い多孔質熱
可塑性チューブを用いる新しいクロスフロー微細過の
方法によって実質的に解決された。これらのチューブの
過特性は多媒体フィルタの“深部”過相と薄膜超フ
ィルタの“薄皮”相の両者を組合わせたものである。ハ
イドロパームチューブの多孔性は管壁の開放セル網状構
造によってもたらされる。ハイドロパームチューブは数
ミクロン程度の孔径をもち、且つ該孔は直径よりも遥か
に大きい長さを有する点で従来の薄膜型超フィルタと異
なる。このチューブについてはたとえば1982年５月刊、
ネプチューンマイクロフロック社レポートKT7307号に記
載されたダニエルコムストック（Daniel L.Comstock）
等の“ハイドロパームクロスフロー微細過”及び米国
機械工学協会（ASME）の報文第77−ENAS−51号に記載さ
れた論文“クロスフロー微細過の利用による廃水から
の懸濁したコロイド状固体の除去”に詳しく述べられて
いるので、本発明の背景を充分に理解するために必要な
範囲においてこれを利用する。
供給流はハイドロパーム管の中央を比較的低圧、たとえ
ば30psi以下の圧力で通過する。過水は管壁の外周を
囲繞するジャケット内に集積され過水ラインによって
そこから取去られる。供給流が管を通って循環するにつ
れ、固体粒子は過水流によって徐々に管壁に向って移
動せしめられる。このようにして管壁近傍の領域におい
て粒子濃度が次第に増加する。
供給流の方向はフィルタ面に対して接線方向となってい
るので一般的にクロスフロー過システムにおいては
過媒体上の過固体の集積は流れの剪断作用によって減
少せしめられる。従って駆動差圧が一定に保たれている
時にはクロスフロー過は略々一定の流束を与える準定
常状態操作を可能にするはずである。不幸にしてこの理
論的可能性は実際には達成されなかった。かくして過
流束の低下の問題は従来のクロスフロー過システムの
悩みの種であった。
一般に、懸濁固体の除去を要する液体は広い範囲の粒子
径分布を有し、その有効直径は数ミクロンからコロイド
状サイズのものまで含まれている。ハイドロパーム管な
どの壁の厚い熱可塑性チューブの“深部”過特性のた
めに、管の最大孔径よりも小さい粒子は一定の状況下に
おいては壁のマトリックス内に入り込む。供給流の固体
濃度が一定量以上の場合には、懸濁固体の大部分は管の
内壁に保持され急速に動的膜（“フィルタケーキ”又は
“スラッジ層”とも云う）を形成する。この動的膜は引
続いて起る過に大いに関連しているものと信じられ
る。
最初に壁マトリックス内に入ったこれらの粒子は、不規
則な、屈曲した性質のためにその内部に補えられる。微
細過が進行するにつれて、壁マトリックス内への小粒
子の侵入は動的膜の存在によって阻止される。この動的
膜の形成は捕捉された粒子による管の孔構造のかなりの
閉塞と相俟って過流束の減少をもたらす。従来のシス
テムにおいてはこの減少は過時間に関して略々指数関
数的な傾向を示す。
過流束の増加は固体含有液体の更に経済的な処理を可
能にすると云う観点において、クロスフロー過システ
ムにおける叙上の過流束の減少を防止し、そして／又
はそれが減少した後に再びもとの高い値へ過流束を復
帰させる方法が追求されて来た。
過流束値を復元させるために多くの清掃技術が研究さ
れて来た。これらの清掃技術はフィルタ媒体の表面の化
学的及び／又は物理的清浄化を含んでいた。たとえば清
浄な、被過物層のない過面を生ぜしめるために層を
形成している被過粒子を溶解する化学溶剤が用いられ
た。普通用いられている溶剤の例としては塩酸その他の
酸がある。一方普通用いられている簡単な物理的清掃技
術としてはフィルタ媒体の逆洗浄即ち被過流の適宜の
逆流がある。この清掃技術は中空の管状フィルタを利用
するクロスフロー過プロセスと組合わせてよく用いら
れる。従来技術で用いられるもう一つの物理的清掃技術
は多孔管を長手方向に通過する循環速度を周期的に増加
する方法である（たとえば米国特許出願明細書第319,06
6号参照）。循環速度の増加は集積された堆積物を清掃
し、管内でのフィルタケーキの形成を最小になす。
叙上の清掃技術はかなり有効なのにもかかわらず、クロ
スフロー過技術は更に経済性を追求して時間平均過
流束を増加せしめる新技術を探索しつづけている。
本発明によって得られる時間平均クロスフロー過流束
の大巾な増加はこのクロスフロー過技術に多大な貢献
をもたらす。
発明の概要 本発明は先行技術の問題並びに不利益を克服するもので
あり、過水ライン内の被過物の流れを絞ることによ
って該絞りのない場合の通常の初期流束（即ち時間ゼロ
における）以下のレベルの定常流束率を維持し、以って
フィルタチューブを通過する固体含有液の時間平均クロ
スフロー過流束を増加するための方法と装置を提供す
るものである。
後述する実験の結果、選択された定常流束率は通常の初
期流束率よりも低かったにもかかわらず、各テスト期間
の終りに得られた流束、そして全過サイクル即ち時間
ゼロからテスト期間の終期までの時間を通じての時間平
均流束はなお本発明を用いなかった実質的に同様なクロ
スフロー過システムによって得られたものよりも高い
値を示した。
本発明によって得られる流束向上度は処理される特定の
供給液流の特性及び予備処理のために添加される薬剤並
びに懸濁固体の特性、更にはクロスフロー過システム
の全体の種々の操作パラメータなどに色々な程度に依存
している。この操作パラメータ中には用いられるフィル
タチューブの清掃技術たとえば逆洗浄、チューブ内循環
流束の周期的増加及び酸洗浄を包含する。
本発明の付加的な目的及び特長については一部は以下の
記載中に述べられ、又一部はその記載から推測され、又
本発明の実施によって明らかになるであろう。本発明の
目的と特長は特許請求の範囲に記載された装置及びその
組合わせによって実現され又達成されるであろう。
本発明のこの目的を達成するために本発明は過の全期
間を通じて多孔質フィルタ媒体を貫流する液の時間平均
クロスフロー過流束を増加する方法であって、（ａ）
フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることによって
該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、（ｂ）
過操作の間、予じめ選択された流束率を維持するのに必
要な圧力差の瞬間値を制御するためにフィルタ媒体の
過水側に変動可能な絞り圧力を加え、且つこの絞り圧力
を減少することによって、該フィルタ媒体を貫通する
過流束率を全過操作の間平衡流束率よりも大きい予じ
め選定された実質的に一定の値に維持する各ステップを
含む方法を含んでなる。このフィルタ媒体はフィルタチ
ューブであり、該フィルタチューブの壁を通って浸透す
る過水は該チューブを囲繞する密閉ジャケット内に集
められる。変動可能な圧力は該ジャケットから出ている
過水ラインに対して加えられる。
更に広義には、本発明は過の全期間を通じてフィルタ
チューブなどの多孔質フィルタ媒体を貫流する液の時間
平均クロスフロー過流束を増加する方法であって、フ
ィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けそして、フィルタ
媒体、特にフィルタチューブのマトリックス内への液中
から過されるべき物質の粒子の侵入を実質的に防止す
るために充分に長い時間をかけて実質的にゼロから所望
の操作流率まで過水の流率を徐々に増加することによ
って過操作を開始する各ステップを含む方法からな
る。この時間は特に微細多孔質のフィルタチューブを用
いるときには約15秒から45秒までの範囲内にあることが
好ましい。
本発明はその最も広い態様においては、過操作の全期
間にわたって多孔質フィルタ媒体を貫流する液の時間平
均クロスフロー過流束を増加する方法であって、
（ａ）該フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けること
によってフィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、
（ｂ）過操作の開始に先立って、塩酸などの酸を含む
洗浄液をフィルタ媒体の表面に横方向に流しつつ同時に
フィルタ媒体の両側の圧力差を一時的に消失せしめるこ
とによってフィルタ媒体の表面を清掃する各ステップを
含む方法からなっている。
更に本発明は叙上の各方法の一つ又はそれ以上を組合わ
せたり、又はこれと更に従来からある流束向上技術たと
えば逆洗浄及び循環速度の周期的増加などと組合わすこ
ともできる。
その上、本発明はこれらの方法を実施するための装置を
も企図している。
以下図面に基いて本発明を更に詳細に説明する。
実施例 添付の図面に示された本発明の好適実施例に基いて本発
明を更に詳細に説明する。
本発明にかかるクロスフロー過はたとえば壁の厚い、
微細孔を有する熱可塑性チューブを用いて達成される。
これらのチューブはたとえばナイロン又はポリエチレン
等の種々の押出し可能な熱可塑性プラスチックによって
作られ、約1mmの壁厚を有する。変動はあるけれどもこ
れらのチューブはたとえば約１〜10ミクロン程度の主た
る孔径を有し又約65％程度の有孔率を有する。即ち孔が
チューブの表面積の65％をカバーしている。本発明に用
いられる好適な多孔質熱可塑性チューブは前述したハイ
ドロパーム管であり、この管は現在オレゴン州コーバリ
スのネプチューンマイクロフロック社（Neptune Microf
loc,Inc.）から市販されている。
このような壁の厚い微細孔を有する熱可塑性チューブを
貫流するクロスフロー過の概略は第１図に示されてい
る。供給液流は管の内側を比較的低圧たとえば２〜50ps
iで流れ、約1mm程度の比較的厚い管壁を貫通して過浸
透が生ずる。
微細過の初期の段階の間に、供給流内の殆んどの懸濁
固体は動的膜（スラッジ層）として壁面に堆積する。こ
の動的膜の成長は管に沿って長手方向に流れる液の循環
速度のためにその上に働らく剪断力によって制限を受け
る。この剪断作用は侵食の形をとる。動的膜の堆積速度
と侵食速度とのバランスによって平衡スラッジ層の厚さ
が決定され、従って過される供給液に対して平衡（台
地型）流束が決定される。このバランス状態は供給液内
の懸濁固体の特性に大いに関連している。懸濁固体は二
つの範鋳に分類される。即ち非凝集性のものと凝集性の
ものである。凝集性固体の場合には粒子間の結合力が比
較的大きく、一旦これらが接触するとこの結合を破壊す
るのに高い剪断力を要する。換言すればこのタイプの固
体は比較的強い侵食効果を要する。一方非凝集性固体は
相互に弱い結合を有し、それ故更に容易に侵食される。
しかし、非凝集性固体の場合であっても、フィルタチュ
ーブの内部壁に対する結合が起り、従って壁に隣接して
薄い接着層が生じ、それを除去するには強い侵食効果を
要する。
固体の行動を規制するその他のパラメータとしては固体
粒子の有効直径と供給液中の粒径分布がある。供給液そ
のものの特性、たとえばpH、粘度等も供給液中の懸濁固
体の行動に何らかの影響を与える。廃水処理には通常化
学薬剤が添加されるがこれによって懸濁固体の特性は変
化し、従って流束率も変化する。
フィルタチューブの壁面上の動的膜を非凝集性にするこ
とが望ましいので、本発明の実施に際してクロスフロ-過に
先立って供給液の化学的予備処理を行なうことが有利で
あることが多くの液の過について証明されている。一
般的にこれらの予備処理の目的はふわふわした非凝集性
のフロックを含有する供給液を得ることにある。本発明
に用いるのに好適な典型的な予備処理用添加剤の例とし
ては従来からある凝集剤のすべて（たとえば水酸化カル
シウム、みょうばん、硫酸カルシウム、水酸化第二鉄
等）、高分子電解質凝集剤及び米国特許明細書第4,313,
830号に開示された添加剤などがある。
前述の如くマイクロフィルタ、ウルトラフィルタ及び逆
浸透ユニットを含む従来のクロスフロー過装置は平衡
流束率が得られるまでの過期間中に流束率の減少が生
ずる。これらの従来型の装置は第２図に示すグラフに類
似した流束率対時間曲線を示す。第２図に示すように、
この曲線は二つの異なった相を含み、一つは始動（時間
ゼロ）直後の非平衡相であって高いがしかし急速に低下
する流束率に特徴があり、もう一つはこの非平衡相に続
く平衡相であって時間と共にゆくっりと低下するより低
い流束率に特徴がある。この非平衡相は通常過の最初
の数時間にわたって継続する。
このような流束／時間曲線の非平衡相の間に見られる流
束率（Ｆ）は次の一般的な関係に従い供給速度（Ｖ）、
圧力差（ΔＰ）及び時間（ｔ）に比例する。
Ｆ∝Va・ΔPb・t-c 叙上のパラメータは第１図に定義されている。
これに対しこの流束／時間曲線の平衡相（即ち台地流
束）の間に見られる流束率は、実質的に供給速度にのみ
比例する。
非平衡相におけるクロスフロー過システムの動作に関
連しては多くの特色があるが、一つの目立った特性は非
平衡流束率（即ち非平衡相における流束）が平衡流束率
（即ち平衡相における流束）よりも高いことである。従
ってクロスフロー過システムを非平衡モードで動作せ
しめることは非常に望ましいことではあるが、この非平
衡相に付随する非常に急速な（略々指数関数的な）流束
減少のため現在の所殆んど実用されていない。
しかしながら従来の平衡流束率より大きい流束率を維持
したまま非平衡モードにおけるクロスフロー過システ
ムの動作を長期間継続させることは可能である。このこ
とは生産物（即ち過水）ラインを絞ると云う比較的簡
単な手段によって可能であることが判った。更に詳しく
は、定常流束率を通常の初期流束率（即ち管の洗浄の直
後で、何等の絞りも行なわれていない新規な過サイク
ルの初期における流束率；以後“ゼロ時”又は“清浄”
流束率と称する）以下の定常流束率を維持するように
過水の流束率を絞ることによって平衡流束率よりも高い
安定流束率を比較的長時間たとえば数時間から数日間に
も及ぶ期間維持することが可能なことが判った。この操
作モードにおいて、選定された定常流束率を維持するた
めに必要なときには全動作期間を通じて時間と共に圧力
差（Δｐ）は増加する。
クロスフロー過システムにおいて過水を絞ることの
利点は （１）平衡値よりも高い流束率を維持できること （２）管の内面上に形成された動的膜上に作用する圧縮
力の減少（この力は流束率の減少と管のマトリックスの
閉塞をもたらす） （３）動的膜の堆積（即ち成長）速度の減少、及び （４）過水を必要とする下流側機器、たとえば逆浸透
ユニットなどに対して一定の流量を維持できること などに存する。
第３図は過水ラインの絞りを利用する本発明の過チ
ューブモジュールの簡単化された例を示すフローダイア
グラムである。懸濁固体（及び／又はエマルジョン化さ
れた油）を含有する過されるべき液はフィルタチュー
ブモジュール10内を矢印の方向に流れる。チューブモジ
ュール10は密閉された液集収ジャケット12内に封入さ
れた一本の微細多孔フィルタチューブ11（たとえばハイ
ドロパーム管）からなる。経済的なスケールのチューブ
モジュール10はジャケット12内に平行なチューブの束
（図示しない）として配列された多数（数百本）のフィ
ルタチューブ11からなることが好ましい。通常の循環ポ
ンプ（図示しない）によって供給ライン13内に必要な入
力圧力（P1）と流速（V1）が付与される。
液の一部は矢印の方向にフィルタチューブ11の壁を貫通
して横方向に浸透し、それによって固体／エマルジョン
化された油の少なくとも一部をチューブ11の内面上に堆
積して前に述べた動的膜（図示しない）を形成する。フ
ィルタチューブ11を通って浸透した液（即ち過水）は
フィルタチューブ11を囲繞する密閉ジャケット12内に集
収され、そして集められた液はジャケットから延びる
過水ライン15と接続された出口ポート14を経てジャケッ
ト12から取出される。P3で表わされる過水ライン15内
の出口圧力は従来のクロスフロー過システムにおいて
は実質的にゼロである。
フィルタチューブ11の壁を通て浸透しなかった液は速度
V2及び出口圧力P2でジャケット12の出口16及びこれに接
続された出口ライン17を経てモジュール10から排出され
る。出口ライン17に設けられた従来型の背圧弁18は公知
の如くフィルタ11内に実質的な正の圧力を作り出す。
本発明の一実施例によれば、過水ラインの絞りは該ラ
イン中に流量制御器（たとえばグリスワルド流量制御
器）又は圧力調節器20とバルブ19を直列に設けること及
びバルブ19を少し閉めることによって行なわれる。過
水ラインの絞りは運転期間を通して継続的に圧力差 を増加することによって過操作の全期間にわたって一
定の流束率を維持するために用いられる。この圧力差は
バルブ19と圧力調節器20を用いて、過水ライン15に加
えられる絞り圧力を減少しP3の値を減少することによっ
て増加せしめられる。
もしフィルタチューブの入口圧力P1が最初に30psiと仮
定すれば初期の圧力差ΔＰ（駆動圧力）が約30psiとな
るように従来型のクロスフロ-過装置内の初期の過水ライ
ン圧力P3は0psiとなる。このような従来の装置において
は、過の終期の圧力差が30psi程度で継続するように
全期間を通じて圧力差は実質的に一定に維持される。前
述の如く、従来の過操作の過程の間、流束率は急速に
減少し台地型の流束率となる。
このような従来装置に対し、本発明は圧力調節器20とバ
ルブ19を用いて過水ライン圧力P3を絞ることによって
流束を増大させている。前述の仮定においてもしフィル
タチューブの入口圧力P1が過操作の開始時に30psiで
あるとすれば、本発明の過水ラインの初期圧力P3は操
作開始時に所望の一定流束率を提供するのに必要な初期
圧力差をもたらすように絞られる。たとえばP3は初めに
20psiに絞られ、5psiの初期差圧が生じる。この流束率
はこの過の利用によって提示される実際上の経済的因
子に基いて選択される。しかし如何なる場合であっても
この流束率は過水ラインの絞りがなかった場合に到達
する台地型流束よりも高い。従って、過水ラインの絞
りのために本発明においては初期流束率は低いけれど
も、全操作を通じての時間平均流束は従来のシステムよ
りも高くなる。
過操作が進行するにつれて、過水ライン圧力P3は継
続的に減少し、流束率を所望の一定の値に維持するため
に圧力差（ΔＰ）を増加せしめる。実際、操作が連続し
て行なわれるにつれ、駆動圧力ΔＰは入口圧力P1と出口
圧力P2の平均値まで増加し、過操作の終期にはP3はゼ
ロにまで減少する。この時点でこのシステムは従来型の
システムと似たものとなり、流束は平衡流束まで減少す
る。従って初期の入口圧力P1、初期の過水ライン圧力
P3（即ち当初に加えられる絞り圧力）及び前記一定流束
率の選択は過操作の所要の時間（即ち過装置が清掃
のために停止するまでの通常の稼動時間数）、操作期間
中に過されるべき液量、及び入口圧力並びに絞り圧力
を発生するのに必要な機器のコストなどの実際的な因子
に依拠して決められる。
本発明にかかる筒状微細過システムに対して、初期入
口圧力P1の値は約25〜40psiの範囲内、初期過水ライ
ン圧力P3（絞り圧力）は約20〜35psiの範囲内、圧力差
ΔＰの下限は約２〜6psiの範囲内、更に好ましくは約5p
si程度又はその上限は約4psiが好ましい。
本発明によれば叙上の如く、過水ラインの絞りは本発
明者等が発見した別の新規な流束向上技術と組合わせて
実施されることが好ましい。この技術は過操作の初期
にフィルタ媒体を横方向に通過する液流の遅い立上がり
である。
詳しく云えば、本発明は更に、液の流束を始動時に実質
的にゼロから充分に長い時間をかけて所望の操作流束率
まで徐々に増加させ、液中から過されるべき物質の粒
子のフィルタチューブのマトリックス内への有害な侵入
を実質的に防止するステップを含むことが好ましい。次
に詳細に述べる如く、前記延長時間は約15秒〜60秒が好
ましく、更に好ましくは30〜45秒である。フィルタ媒体
を通過する液流のこのような遅い立上がりは本発明の
過水ラインの絞りを行なう場合も又行なわない場合にも
過の運転時間を長くする（差圧ΔＰを低くする）こと
ができる。
この遅い立上がりは第３図の過水ラインの絞りバルブ
19を完全に閉じて過を開始し、次いで叙上の時間をか
けてゆっくりとそして好ましくは一定の割合でバルブ19
を徐々に開放することによって行なわれる。
本発明によれば上に述べた過水ラインの絞り及び／又
は遅い立上がりは本発明者等が開発した更に別の新規な
流束向上技術と組合わせて実施されることが好ましい。
その技術は清掃の間過水ラインの入口を閉鎖すること
である。
詳しく述べれば、本発明はフィルタ媒体の表面を横切っ
て洗浄液を流し、同時に過水ライン入口14を公知のバ
ルブ（図示しない）などによって閉鎖するか又は過水
ライン15内のバルブ19を完全に閉鎖することによってジ
ャケット12（第３図）のすべての流れを遮断しフィルタ
媒体の差圧ΔＰを一時的に消失させることによって過
操作の開始に先立ってフィルタ媒体の表面を清掃するス
テップを含むことが好ましい。たとえば洗浄液は塩酸を
含んでいる。
集収ジャケット12のポート14（第３図）を開いたまま酸
を含む洗浄液でハイドロパーム微細多孔フィルタチュー
ブを清掃すると、流束率は初めは非常に高いが時間と共
に急速に（略々指数関数的に）減少し受け入れ難いレベ
ルまで低下する。酸洗浄の間にポート14を閉じることに
よってかなり低い圧力差が得られ、流束率は向上する。
この技術は単独でも又は前述の過水ラインの絞り及び
／又は遅い立上がりと組合わせても実施することができ
る。
叙上の本発明の流束向上技術はすべてそれ単独で又は組
合わされてフィルタ媒体の従来型の物理的清掃と共に実
施されることが好ましい。たとえば過水ラインの絞
り、遅い立上がり及び／又は過水ラインのポートの閉
鎖を周期的な逆洗浄又は周期的な循環速度の増加などの
公知の物理的清掃技術と組合わせて用いることが好まし
い。
詳しく云えば、本発明の方法は液（過によって得られ
た水を含むことが好ましい）を圧力差の方向を逆転する
ことによってフィルタ媒体を通過させて周期的に逆洗浄
するステップを含むことが好ましい。各逆洗浄パルスの
時間は約２秒が好ましく、そして逆洗浄の間隔は約１〜
２分の範囲内にあることが好ましい。逆洗浄圧は約50ps
i程度が好ましい。
特に微細過の場合には逆洗浄の代りにフィルタ媒体の
表面に沿って横歩行に流れる液の循環速度を周期的に増
加させることが好ましく、この周期的増速の時間は約５
〜60秒の範囲内であり、又この周期的増速の間隔は約20
分を越えないことが好ましい。循環速度は米国特許出願
第319,066号に開示された技術を用いた場合約10〜20ft/
秒まで増加することが好ましい。
第４図に示すパイロットユニット21を用いてクロスフロ
ー過のテストを行なった。このユニット21は直列に配
置された、夫々2.78平方フィートハイドロパーム管面積
を有する４フィートの長さの二本のパイロット過モジ
ュール25を具えている。小さいプラスチック製の保持タ
ンク26から通常のメークアップポンプ27によって水がシ
ステム内に約25psiの圧力で導入された。水流28は従来
型の固体分離器／セパレータ30に導入される前に、第２
のモジュール25からの循環流29と混合された。混合流31
内に含有された懸濁固体は遠心力によって一部除去さ
れ、バルブ32を経てセパレータの底から周期的に吹き落
される。ライン33を経てセパレータの頂部から流出する
水は矢印で示された如く従来型の遠心循環ポンプ34によ
って先行するモジュール25に入る前に28psiの平均入口
圧力まで更に圧縮された。ハイドロパームの管壁（図示
しない）を通して過作用が行なわれ、過水は各モジ
ュール25のシェル側に集められそして過水ライン36に
接続された出口ポート35を経てモジュールから排出され
た。排出速度は毎秒５フィートであった。
すべてのテストは人工不純物によって行なわれた。即ち
市販グレードの硫酸鉄を平均50mg/lの割合でタンク26内
の水道水に添加した。この硫酸鉄は直ちに加水分解して
水酸化鉄の懸濁物を形成し実験用の被過物質として用
いられた。このような被過物質は金属メッキの廃水と
似ているので選ばれたものである。
逆洗浄はバルブ37と32を２秒間開き、バルブ38を同じ時
間だけ閉じることによって１分間に一回の割で行なわ
れ、逆洗浄液としては過された水を用い、45psi（ゲ
ージ圧）の駆動圧力で前述のやり方で実施された。
過水ラインの絞りは前述のやり方でバルブ39の一部閉
鎖及び圧力レギュレータ40の操作によって行なわれた。
清掃は各実験の後で（即ち各過操作の終りに）クリー
ニングタンク41から塩酸を含む１％酸溶液をモジュール
25を通して循環させることによって行なわれた。
第６図はテストの結果を示すグラフである。
第６図から判るように、流束の向上のない場合には１日
当り、活性フィルタ媒体面１平方フィート当り1942ガロ
ン（gpd/ft2）の非平衡部から始まり、2.5時間の後に流
束率50gpd/ft2で安定して終っている。
逆洗浄のみの場合には平衡流束率は1295gpd/ft2に達し
た。逆洗浄と過水ラインの絞りとを併用した場合には
流束率は1372gpd/ft2に達し、6.2％の増加が見られた。
（絞りを行なった場合の値が途中で切れている理由は流
れ制御器40が適正に作動するのに充分な過水圧力が得
られなかったことにあるものと考えられる。即ち圧力レ
ギュレータは上流で10psiの圧力を要するが、このシス
テムにおいては大部分の過操作時間において10psi以
下の過水ライン圧力しか提供されなかった。）逆洗浄
の回数と時間が異なれば異なった流束率の絶対値が得ら
れることに注意すべきである。
過水ラインの絞りによって流束が向上することは全く
予期せぬことであり、従来技術の教示に反することであ
った。実際、従来型のクロスフローフィルタのメーカは
過水ラインの絞りが生じないようにする努力を払って
いる。この理由は絞りは流束を減少させると業界では信
じられているからである。勿論その通りであるが、しか
し過操作の初期においてのみである。当業者が理解し
なかったことは過操作の全過程にわたって時間平均流
束率が絞りによって実際に向上せしめられると云うこと
である。これが起る理由は絞りによって一定流束率を維
持するための最小必要限の圧力差（駆動圧力）が計量さ
れるので過操作の非平衡部分が維持されるためと信じ
られる。動的膜上に作用する圧縮力が減少するので固体
の堆積速度も大巾に減少する。
第５図に図示された単筒型のテスト装置44を用いて付加
的ないくつかの実験が行なわれた。
小さなプラスチック循環タンク45から供給ポンプ46によ
って約20psi（ゲージ圧）の圧力で水が汲み出され内径6
mm、長さ３フィートのパイドロパーム管47に供給され
た。該管47は過水集収ジャケット48内に封入されたモ
ジュール49を形成している。過水はモジュール49のシ
ェル側50に移動せしめられ、過水ライン52に接続され
たジャケット48の出口ポート51を経てモジュールから排
出される。残った循環流53は保持タンク45に戻された。
テストのために過水もタンク45に戻され閉ループシス
テムとなした。
特に断わらない限り、テストはタンク45内の水道水に50
mg/lの市販グレードの硫酸鉄と0.2mg/lのカチオンポリ
マ（アライド社の776、商品名）を加えたもので行なわ
れた。この硫酸鉄は直ちに加水分解して水酸化鉄の懸濁
物を形成し実験のための被過物質となった。ポリマは
固体の流動性を改善するために添加された。
周期的に循環速度を増加させて行なう物理的清掃（以後
“パーマパルス”（Perma Pulse）と云う）はバルブ54
を開くことによって循環流53を周期的に増加せしめるこ
とによって評価された。この循環速度は過の間の一秒
当り4.4フィートからパーマパルス操作の間の一秒当り1
2.5フィートまで変化した。これらのテストにおいて循
環速度の増加の間隔は２分そして各パルスの時間は15秒
に設定された。
清掃中における過水ポートの閉鎖と開放の効果は清掃
サイクルの間にバルブ55を閉じ又は開放することによっ
て調査された。
清掃は過のループを通じて酸を含有する洗浄液を循環
させることによって各過操作の始まる前（たとえば各
実験の終り）に行なわれた。流束が浄化されたか否かは
モジュール中を非イオン化された水を流すことによって
各実験に先立って確認された。
一連の実験の結果は第７図にプロットされている。これ
らの実験はパーマパルスと過水ラインの絞りとの組合
わせと絞りのみの場合とを対照している。過水ライン
の絞りは流束率を1050gpd/ft2の活性フィルタチューブ
面積に限定して行なわれた。過水ラインの絞りのみの
場合には流束は約30分後に設定点を下廻って低下し始め
た。絞りとパーマパルスとの組合わせの場合は絞り単独
の場合よりも若干有効であった。
第５図のテスト装置を用いて行なわれた別の一連の実験
結果が第８図にプロットされている。これらのテストに
おいてはパーマパルスと遅い立上がりとの組合わせの場
合と遅い立上がりのみの場合の過操作が何等の流束向
上手段をとらない場合と比較して示されている。パーマ
パルスの実験が遅い立上がりのモードで行なわれ、過
水ライン52はバルブ55を用いて１分間にわたって一定の
割合で徐々に開放された。パーマパルス操作は２分間の
周期で15秒間づつ行なわれた。
すべてのテストにおいて流束率は90分の間に平衡値まで
減少した。パーマパルスと遅い立上がりの組合わせの場
合の平衡流束率は流束向上策のないテストの場合に比べ
て約30％大きかった。パーマパルスの場合の平衡流束率
は遅い立上がりのみの場合のテストの平衡値よりも約17
％高かった。
第９図は第５図のテスト装置を用いて行なわれた一連の
実験の結果を示す圧力差ΔＰと時間経過をプロットした
グラフである。これらのテストは異なった時間をかけて
過水ラインのバルブ55を徐々に開けることによって遅
い立上がりの効果を研究したものである。流束率は前述
のように過水ラインを絞ることによって一定に維持さ
れた。約15秒から45秒の範囲の立上がり時間において低
い駆動圧ΔＰに関して遅い立上がりの優れた効果が得ら
れた。特に45秒にわたって過水バルブ55を徐々に開け
た場合が最もよい結果を示した。これらのテストは被
過物質として海水に50ppmの硫酸アルミニウムを添加し
て行なわれ、そして60秒の周期で２秒間の逆洗浄を用い
た（逆洗浄ポンプは図示せず）。
前述の如く、過チューブの酸洗浄の間過水ポート51
又はバルブ55を閉じたままにしておくことによって驚く
べき効果のあることを発見した。清掃中に過水ポート
51を開けると、該ポートを閉じた場合に得られる初期差
圧ΔＰよりも遥かに高い（ゼロ時における）初期圧力差
が得られることを見出だした。圧力差は清掃中にポート
51を開けたままにしておいた場合には時間と共に速い比
率で増加する。この流束率束向上策を施こさない場合に
は、僅か３〜４時間の間に限界差圧ΔＰに達してしまう
ことが多いことが判った。本発明のこの特別の流束率向
上策によれば12時間以上かかることと対比すべきであ
る。
第10図は第５図のテスト装置を用いて行なわれた付加的
な一連の実験の結果を示し、圧力差ΔＰと時間との関係
がプロットされている。これらのテストは過水ライン
のバルブ55が開かれている間に行なわれた酸洗浄の後の
過テストとバルブ55を閉じている間に行なわれた酸洗
浄の後の過テストとの比較であった。酸洗浄の間に
過水ラインのポートを閉鎖した場合には低い駆動圧力Δ
Ｐが得られ、優れた結果を示すことがよく判るであろ
う。テスト条件は第９図について説明した逆洗浄を使用
した場合のテストと実質的に同一であった。
クロスフローフィルタを最も効率的に作動させるために
は、或る最小懸濁固体濃度が必要である。この最小限度
以下ではチューブの個々の孔が各粒子によって閉塞させ
られる。このことは急速な流束低下を招く。この限度以
上であれば、粒子は自己支持するようになりチューブの
孔の上にフィルタケーキを形成する。ケーキ過におい
ては、チューブのマトリックスは閉塞されない。これは
好ましい過の機構である。なぜならば抵抗はケーキを
通る時に最小となり、部分的に閉塞されたチューブマト
リックスを通る時に最大となるからである。これは本発
明の洗浄時に過水ラインのポートを閉鎖するやり方の
基礎となっている理論である。洗浄液は循環流中に多量
の固体を溶解し、ケーキ過の開始に必要な固体濃度以
下の濃度となっている。もしポートが開いていると酸は
管壁を通って流れ、マトリックスの閉塞が発生する。
当業者であれば叙上の実施例に基いて本発明の範囲から
逸脱することなく種々の変形を作ることが可能なことは
明らかである。一例として本発明はウルトラ過、逆浸
透システムなどの微細過の他のクロスフロー過シス
テムに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はクロスフロー微細過チューブの模式的断面図
であり、供給流の方向（循環）と過水の流れの方向
（浸透）を示す。 第２図は従来のクロスフロー過装置の典型的な流束率
対時間のグラフである。 第３図は過水ラインの絞りを用いる本発明にかかる
過チューブのモジュールの一実施例のフローダイヤグラ
ムである。 第４図は本発明の他の実施例のフローダイヤグラムであ
り、付加的工程の詳細を示す。 第５図は本発明を実施するのに好適な単一のクロスフロ
ー過チューブからなるテスト装置のフローダイヤグラ
ムである。 第６図〜第10図は各実施例から得られた実験データを示
すグラフである。 10……フィルタモジュール、11……フィルタチューブ、
12……ジャケット、13……供給ライン、14……出口ポー
ト、15……過水ライン、17……出口ライン、19……バ
ルブ、20……圧力調節器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−26503（ＪＰ，Ａ)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒体
    を貫流する液の時間平均クロスフロー過流束を増加す
    る方法であって、 （ａ）フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることに
    よって該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、そ
    して （ｂ）過操作の間、予じめ選択された流束率を維持す
    るのに必要な圧力差の瞬間値を制御するために、フィル
    タ媒体の過水側に変動可能な絞り圧力を加え、且つこ
    の絞り圧力を減少することによって該フィルタ媒体を貫
    通する過流束率を全過操作の間、平衡流束率よりも
    大きい予じめ選定された実質的に一定の値に維持する 各ステップを含む方法。
  2. 【請求項２】フィルタ媒体が少なくとも一つのフィルタ
    チューブを含み、該フィルタチューブの管壁を通って浸
    透した過水は該フィルタチューブを囲繞する密閉ジャ
    ケット内に集められ、又前記変動可能な絞り圧力は該ジ
    ャケットから出ている過水ラインに加えられる特許請
    求の範囲第１項に記載された方法。
  3. 【請求項３】液中から過されるべき物質の粒子のフィ
    ルタチューブ内への侵入を実質的に防止するために充分
    に延長された時間をかけて実質的にゼロから所望の操作
    流率まで過水の流率を徐々に増加することによって
    過操作を開始するステップを含む特許請求の範囲第１項
    又は第２項に記載された方法。
  4. 【請求項４】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒体
    を貫流する液の時間平均クロスフロー過流束を増加す
    る方法であって、 （ａ）フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることに
    よって該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、そ
    して （ｂ）液中から過されるべき物質の粒子のフィルタチ
    ューブ内への侵入を実質的に防止するために充分に延長
    された時間をかけて実質的にゼロから所望の操作流率ま
    で過水の流率を徐々に増加することによって過操作
    を開始する ステップを含む方法。
  5. 【請求項５】前記延長時間が約15秒から45秒までの範囲
    内にある特許請求の範囲第４項に記載された方法。
  6. 【請求項６】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒体
    を貫流する液の時間平均クロスフロー過流束を増加す
    る方法であって、 （ａ）フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることに
    よって該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、そ
    して （ｂ）過操作の間、予じめ選択された流束率を維持す
    るのに必要な圧力差の瞬間値を制御するために、フィル
    タ媒体の過水側に変動可能な絞り圧力を加え、且つこ
    の絞り圧力を減少することによって該フィルタ媒体を貫
    通する過流束率を全過操作の間、平衡流束率よりも
    大きい予じめ選定された実質的に一定の値に維持し、そ
    して （ｃ）前記圧力差の方向を逆にすることによってフィル
    タ媒体を横切って液を周期的に逆流させ、逆洗浄によっ
    てフィルタ媒体を物理的に清掃する 各ステップを含む方法。
  7. 【請求項７】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒体
    を貫流する液の時間平均クロスフロー過流束を増加す
    る方法であって、 （ａ）フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることに
    よって該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、そ
    して （ｂ）液中から過されるべき物質の粒子のフィルタチ
    ューブ内への侵入を実質的に防止するために充分に延長
    された時間をかけて実質的にゼロから所望の操作流率ま
    で過水の流率を徐々に増加することによって過操作
    を開始し、そして （ｃ）前記圧力差の方向を逆にすることによってフィル
    タ媒体を横切って液を周期的に逆流させ、逆洗浄によっ
    てフィルタ媒体を物理的に清掃する 各ステップを含む方法。
  8. 【請求項８】前記逆洗浄液が前記過水であり、又逆洗
    浄の時間は約２秒そしてその周期は約１分から２分の範
    囲内にある特許請求の範囲第６項に記載された方法。
  9. 【請求項９】前記逆洗浄液が前記過水であり、又逆洗
    浄の時間は約２秒そしてその周期は約１分から２分の範
    囲内にある特許請求の範囲第７項に記載された方法。
  10. 【請求項１０】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒
    体を貫流する液の時間平均クロスフロー過流束を増加
    する方法であって、 （ａ）フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることに
    よって該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、そ
    して （ｂ）過操作の間、予じめ選択された流束率を維持す
    るのに必要な圧力差の瞬間値を制御するために、フィル
    タ媒体の過水側に変動可能な絞り圧力を加え、且つこ
    の絞り圧力を減少することによって該フィルタ媒体を貫
    通する過流束率を全過操作の間、平衡流束率よりも
    大きい予じめ選定された実質的に一定の値に維持し、そ
    して （ｃ）フィルタ媒体の表面に沿って横方向に流れる液の
    循環速度を周期的に増加し、これによってフィルタ媒体
    の物理的清掃を行なう 各ステップを含む方法。
  11. 【請求項１１】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒
    体を貫流する液の時間平均クロスフロー過流束を増加
    する方法であって、 （ａ）フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けることに
    よって該フィルタ媒体を横断的に貫通して液を流し、そ
    して （ｂ）液中から過されるべき物質の粒子のフィルタチ
    ューブ内への侵入を実質的に防止するために充分に延長
    された時間をかけて実質的にゼロから所望の操作流率ま
    で過水の流率を徐々に増加することによって過操作
    を開始し、そして （ｃ）フィルタ媒体の表面に沿って横方向に流れる液の
    循環速度を周期的に増加し、これによってフィルタ媒体
    の物理的清掃を行なう 各ステップを含む方法。
  12. 【請求項１２】前記フィルタ媒体がフィルタチューブを
    含み、循環速度の周期的増加の時間は約５秒から60秒の
    範囲内にあり、又その周期は約20分を越えず、そして循
    環速度は約10フィート／秒から20フィート／秒の範囲内
    にある特許請求の範囲第10項に記載された方法。
  13. 【請求項１３】前記フィルタ媒体がフィルタチューブを
    含み、循環速度の周期的増加の時間は約５秒から60秒の
    範囲内にあり、又その周期は約20分を越えず、そして循
    環速度は約10フィート／秒から20フィート／秒の範囲内
    にある特許請求の範囲第11項に記載された方法。
  14. 【請求項１４】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒
    体を貫流する液の時間平均クロスフロー流束を増加する
    ために装置であって、 （ａ）多孔質フィルタ媒体 （ｂ）該フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けるため
    の手段を具えた、フィルタ媒体を横断して液を貫流させ
    る手段、及び （ｃ）前記フィルタ媒体の過水側に変動可能な絞り圧
    力を加えそして過操作の間該絞り圧力を減少して予じ
    め選定された流束率を維持するのに必要な圧力差の瞬間
    値をコントロールするための手段を具えた、過操作の
    間平衡流束率よりも大きいこの予じめ選定された実質的
    に一定な値に該フィルタ媒体を貫通する過流束率を維
    持するための手段 を含んでなる装置。
  15. 【請求項１５】過の全期間を通じて多孔質フィルタ媒
    体を貫流する液の時間平均クロスフロー流束を増加する
    ための装置であって、 （ａ）多孔質フィルタ媒体 （ｂ）該フィルタ媒体の壁の両側に圧力差を設けるため
    の手段を具えた、フィルタ媒体を横断して液を貫流させ
    る手段、及び （ｃ）液中から過されるべき物質の粒子のフィルタ媒
    体内への侵入を実質的に防止するために過操作を実質
    的に流量ゼロから開始し、これを充分に延長された時間
    にわたって所望の操作量まで一定の割合で増加しこれに
    よって過される液量を徐々に増加するための手段 を含んでなる装置。
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