成果報告書詳細
管理番号20130000000969
タイトル*平成24年度中間年報 最先端PG(Mega-ton Water System)高効率・大型分離膜エレメント・モジュール 高効率・大型RO膜スパイラルエレメント(H22-H25)
公開日2014/1/10
報告書年度2012 - 2012
委託先名東レ株式会社 株式会社東レリサーチセンター 神戸大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約件名:平成24年度中間年報 最先端PG(Mega-ton Water System)高効率・大型分離膜エレメント・モジュール 高効率・大型RO膜スパイラルエレメント(H22-H25)
1) 第一目標である低圧(4.5 MPa)運転条件で膜造水量、脱塩率を満たす膜設計処方を確立し、ベンチスケールで目標を満たす膜を獲得した。膜形態や各種高分子物性を顕微鏡観察、化学構造解析など機器分析を駆使して測定し、高性能化に必要な物性を特定した。ひだ構造を立体的に捉え、定量解析することで具体的な形態設計指針を獲得した。さらに元素分析の手法と組み合わせることで、最適な膜合成条件の策定を可能とした。低圧運転条件や高透水膜評価装置の設計指針を基に、北九州ウォータープラザ内テストベッドでの運転評価を開始した。実海水ワンパス評価での差異を明らかにし、膜合成条件のさらなる適正化、フィードバックを可能とした。
2) 本プログラムにて導入したPALS装置で計測した各種RO膜、高分子材料(ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート)の平均陽電子消滅寿命は、産業技術総合研究所所有の陽電子消滅寿命測定装置で計測した結果と良く一致した。これにより、本システムの妥当性が検証され、正常に稼動しているものと判断された。この結果を受け、本プログラムにて研究開発中のRO膜の陽電子消滅寿命測定法による細孔径分布解析に着手した。本プログラムにて2011年導入した、クライオミクロトーム及びクライオトランスファー装置を用いた走査透過電顕観察法により、支持膜やポリアミド機能膜部の精密な組成分析の最適化に取り組み、使用後機能層や、支持膜空孔率評価の精度向上を実現した。定量性に優れた測定を実現し、機能膜形成過程の反応場解析に有用な知見が得られた。
3)前年度に引き続き膜エレメント大型化に関する動向調査をおよびFSを実施した。本年度は28インチサイズの大型ベッセルに現行標準サイズの8インチエレメントを並列に多数本装填する既製品について評価を行った結果、ベッセル内の流動解析では滞留などの問題点が無いことを確認したが、ベッセルへのエレメントの装填作業が煩雑になるなどの点から、実用性が低いと判断した。4)本研究においては、昨年度までに、濃度分極の効果を正確に考慮した、流路材幾何形状の1周期ユニットの流動物質シミュレーションモデルを開発し、流動条件や流路材形状の影響について検討した。その後、この数値シミュレーションによって得られた流動、物質輸送特性を導入した、エレメント相当スケールの流動物質輸送に関する数値シミュレーションモデルを開発した。本年度の検討では、昨年度開発したエレメントスケールのシミュレーションモデルの改良を行うとともに、実際の膜リーフ形状を模倣した数値シミュレーションを行った。
英文要約Title: Project on First Program” Mega-Ton Water System”: Development of High Efficient Large Size Element and Module: Research and Development of High Efficient Large Size Spiral Wounded RO Element. (FY2010 - FY2013) FY2012 Annual Report
: 1) Polyamide membranes: In order to obtain further excellent performance, we has been executing fundamental research for RO membranes on investigating physical and chemical properties which has resulted in the advanced RO membranes with high flux, high rejection. Through these studies, the practical tools of structure analyses to quantify the physicochemical and chemical property of RO membrane were acquired. Further case studies for effective use of RO membranes which was obtained to apply to the various temperatures and salinity of feed water was also conducted.
: 2) Fine Structure of RO membrane: The average positron annihilation lifetimes of various RO membranes as well as polymer materials, which were determined using positron annihilation lifetime measurement system introduced in this PG, were in good agreement with those values determined by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Thereby, the validity of the measurement was verified. By using the novel cryogenic ultra-microtomy technique, which was installed in 2011 by this program budget, the fine structure and composition of the functional layer and substrate layer was revealed. Especially, a silicon drift EDX detector equipped with scanning TEM allowed us to analyze polymerization process of functional layer quantitatively.
:3) We carried out trend survey of membrane element upsizing. And it became evident that water cost and plant construction cost are advantageous so that element diameter became 16 inches. On the other hand, it also became clear that there was a problem to a design and the production cost of 28-inch size multi-chamber vessels to install 8-inch elements.
: 4) The total membrane performance of a membrane leaf has not been studied because the numerical simulation model for the whole area of a membrane leaf is still not developed yet. The understanding of the flow and mass transfer characteristics in the whole area of the membrane leaf allows to optimally designing the geometry and the operating conditions of reverse osmosis membrane leaf and element. In this study, to numerically compute a whole membrane leaf composed of the feed water channel, permeate water channel and reverse osmosis membrane, we modeled the spacer-filled channel as a porous media model by using the flow and mass transfer characteristics obtained from the calculation results in the unit model of spacer filled-channel.
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