成果報告書詳細
管理番号20130000000521
タイトル平成21-24年度成果報告書 
省水型・環境調和型水循環プロジェクト 水循環要素技術研究開発 革新的膜分離技術の開発 うちNF膜の開発(H21-H24)
公開日2013/6/25
報告書年度2009 - 2012
委託先名日東電工株式会社
プロジェクト番号P09011
部署名環境部
和文要約NF膜の超低圧化等によりライフタイムトータルエネルギーを50%削減する為の3つの領域で4つのグループにて研究開発を推進した。
1:最終目標である“現行NF膜に対して50%省エネ”を達成するため,特許・文献調査を行い,調査結果から抽出された高透水化技術について,種々の高透水化コンセプトの提案と検証実験を行なった。その結果,3種類の高透水化コンセプト(1)スキン層形態・厚み制御,(2)架橋密度制御,(3)有機無機ハイブリッド化の3種類の方法にて,脱塩率を低下させることなく,純水透過係数を増加させうる新規なNF膜を作製出来ることを確認した。その中から(1)スキン層形態・厚み制御,(2)架橋密度制御技術を用いた膜では最終目標を満足する性能を発現した。
次に,これら高透水化手法を用いて弊社生産機による実用サイズでの試作を行い,新規高透水化NFモジュールを作製した。いずれの同モジュールもラボスケールでの結果と同様に最終目標である“現行NFモジュールに対して50%省エネ”を満足する透水性能を発現することを確認した。
2:陽電子消滅法と溶質透過実験に基づく膜透過シミュレーション、および分子動力学シミュレーションを駆使することによって、従来膜や本プロジェクトによる開発膜の分子間隙、あるいは細孔径に関する知見を深めることができた。陽電子消滅法は、分子間隙を直接観測する技術として従来膜や新規開発膜への適用性が確認された。また、溶質透過実験に基づく膜透過シミュレーションは、膜透性が溶質の形状に影響されることを解析できるところが興味深い。分子動力学シミュレーションは、仮想的な計算機実験により実験だけでは取得できない分子間隙周辺における分子レベルの知見が得られるところに意義がある。膜透過シミュレーションにより決定された細孔径は陽電子消滅法により評価された分子間隙の大小関係を反映しており、また、分子動力学シミュレーションの利用によって、分子間隙サイズが溶質の選択性に及ぼす効果を分子レベルで考察する技術が蓄積された。
3:エレメント構造の検討では主要構成部材である原水スペーサを対象とし、省エネルギーの観点より圧力損失を低減できる構造を検討した。その際、原水スペーサの他の機能(撹拌性、排出性)に及ぼす影響も合わせて検討し、総合的にバランスのよい原水スペーサの構造を調査した。
検討の結果、濃度分極に影響する撹拌性はNF膜の運転領域では原水スペーサ構造にあまり影響されないことが分かった。圧力損失および排出性については、厚みが厚いほど良好であったが、厚みが薄くても良好な性能を示すスペーサも見出された。フィールドでの実証は札幌市創成川処理場の都市下水を原水とし、2インチエレメントを用いて行った。現行のNF膜と比較して新規に開発した革新的NF膜は低分子有機物の除去性能に優れていることが確認でき、将来の上水用途での市場展開に向けて有用な結果を得ることができた。
英文要約We worked for achieving 50% reduction of LCA-Total Energy Consumption, R&D promoted by 4-research groups of 3-Territories.
1)To achieve the final target“50% energy saving for current NF membrane”, we proposed and verified some kinds of high water permeation concept extracted from patents and literatures research results. As a result, we confirmed that we could fabricated some novel NF membranes, which could increase water permeation without decreasing removal performance, using 3 kinds of concept, (1) Control of morphology and thickness of polyamide skin layer, (2) Control of cross-linking degree of polyamide skin layer, and (3) Organic-inorganic hybridization of polyamide skin layer. Furthermore, we also fabricated some novel NF membranes, which achieved final target performance, using 2 kinds of concept, (1) Control of morphology and thickness of polyamide skin layer, (2) Control of cross-linking degree of polyamide skin layer.
Then, we tried to practical-size trial manufacture using our production machine and we manufactured some novel high water permeation NF modules. We confirmed that each module achieved the final target performance “50% energy saving for current NF module”.
2)The characterization technique for interstitial space among molecular chains in NF membranes was developed in this project. Positron annihilation method was applicable to measure vacancy size in membranes. Permeation simulation method was useful to determined pore size of membrane that is related to permselectivity. According to this method, we can consider the effect of shape of penetrant on permselectivity. The tendency of pore sizes for various membranes that was analyzed by this method was associated with the vacancy profiles measured by positron annihilation method. In addition, molecular dynamics simulation was promising method for characterizing the role of vacancy on permselectivity of typical membranes for water treatment.
3)Investigation of feed spacer was executed to verify its energy saving characteristics. Mixing effect for preventing from concentration polarization and discharging efficiency of clogged substance were also investigated.
As a result of the investigation, it was shown that there is no big difference among the candidate feed spacers in mixing effect. But in a point of view of pressure loss and discharging effects, thicker spacer showed better performance. Some specific configuration showed also better characteristics even though as a thinner type spacer.
Field operation test was carried out at the Souseigawa water reclamation center in Sapporo city. As a result of the test using 2-inch spiral membrane elements, innovative NF membrane showed better rejection performance against low molecular organic matter. It was a good result for appealing to NF market in the future.
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