成果報告書詳細
管理番号20140000000581
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 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
公開日2015/3/5
報告書年度2010 - 2013
委託先名東レ株式会社 株式会社東レリサーチセンター 国立大学法人神戸大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約高効率・大型のRO膜スパイラルエレメントを実現するために必要な技術の獲得を目的として、以下の4点について研究開発を行った。 1)RO膜の微細構造解析 PALS:RO膜のサブnmオーダーの空孔サイズを高感度で検出できるPALS(陽電子消滅寿命測定)装置を立ち上げた。本装置にて測定したPALS用認証標準物質である石英ガラスのオルトポジトロニウム寿命が認証値の範囲内に収まったことから、本装置は健全であると判断した。高効率処方膜の平均空孔半径は従来処方膜のそれに比べて増大していることが判明した。 形態解析:冷却切片法を用いた未包埋超薄切片技術を開発し、湿潤状態でのRO膜断面に対して、電子エネルギー損失分光(EELS)やエネルギー分散型特性X線分析(EDX)で支持膜やひだ組成を詳細に評価する技術を確立した。また、蒸気圧の高いイオン液体をRO膜表面に塗布することで、湿潤状態を模したひだ形態観察を行える技術を開発、各種RO膜の表面形態を評価した。 2)RO膜形成技術 低圧運転可能な省エネ型の高性能ポリアミドRO膜の開発を目指し、以下の研究を実施した。顕微鏡観察、細孔径測定など機器分析を駆使したRO膜の微細構造解析の結果から、高性能化に必要な物性を特定した。ポリアミドRO膜の表層は、高さ数百nm、厚さ数十nmの超薄膜ひだ構造であり、また、ひだ構造中に形成される分子間隙はサブnmオーダーの大きさであることから、ひだ構造を立体的に捉えて定量解析することで、具体的な形態設計指針を獲得した。上記指針に基づいて省エネ膜の設計処方を探索し、ベンチスケールでの基本製膜技術を確立し、従来膜に比べて30%の省エネが達成可能な高性能RO膜を獲得した。 3)RO膜エレメント大型化 施設建設の低コスト化や高効率化に大きく貢献するRO膜エレメントの大型化について、エレメント構造や構成部材の材質・形状などを適正化し、その妥当性を検証した。低圧海水淡水化RO膜を用いた16インチエレメントをターゲットとし、エレメントおよびモジュール内の流動解析を行った。具体的には、簡易モデルの構築による実用性の高いシミュレーション手法を確立し、大型エレメント内の流動状態を明らかにした。 4)RO膜エレメント内の流れ解析 RO膜エレメントの最適設計のために、エレメント内の流動と物質輸送について解析を行った。膜リーフ部の流動物質輸送について、RO膜の透過現象を考慮した数値シミュレーション手法を提案した。まず、非平衡熱力学に基づいてRO膜の透過モデルを解析的に構築して、ミクロスケールでのシミュレーション手法を確立し、RO膜表面の濃度分極や膜面透水量分布の予測を可能とした。次に、ミクロスケールの解析手法を元に、エレメントを構成する膜リーフ相当のマクロスケールでの数値シミュレーション手法を提案した。スペーサーを含む流路を祖視化し、2次元の多孔質媒体としてモデル化することでマクロスケールでの計算を実現した。解析的に得られた抵抗係数を多孔質媒体のシミュレーション、物質輸送係数から理論的にRO膜表面の溶質濃度をそれぞれ見積もる方法を構築した。これにより、膜リーフ全体の流動、濃度分極、透水量分布、ならびにスペーサーや運転条件が透水性能に及ぼす影響の予測が可能となった。
英文要約1) Fine structure analyses of RO membrane: PALS: Measurement system for Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS), which can be used for the determination of the pore size distributions in reverse osmosis (RO) membranes, was established successfully. An ortho-positronium lifetime of standard quartz glass, which was measured using the PALS system, agreed with the certification value. The average pore radii of the high-efficiency RO membranes were larger than those of the conventional RO membranes.
Morphological study: By using novel cryo-ultramicrotomy technique, moist RO membrane thin sections were prepared for transmission electron microscopy (TEM). The protuberance microstructure was revealed at nanometer scale, which contained original morphology, and composition analysis was also carried out by electron energy loss spectroscopy (EELS) and energy dispersive X-ray microanalysis (EDX). For surface morphology, specially developed scanning electron microscope (SEM) technique was adopted by using ionic liquid, which has higher vapor pressure so that we observed many types of RO membrane under wet condition. 2) Polyamide membranes: In order to obtain further excellent performance, we has been executing fundamental research for RO membranes based on fine structure analyses by means of microscopic methods and pore size measurement. Practical tools for designing the new membrane were acquired by the structure analyses to quantify the physicochemical and chemical properties of RO membrane. As the result of studying on structural deign of RO membrane, new membrane which enables to reduce energy consumption by 30% compared to conventional ones was successfully obtained in bench-scale experiments. 3) RO membrane element upsizing: In this study, flow analyses inside 16-inch diameter element and module were conducted in order to optimize design of the element and its components. Highly practical simulation method was established by appropriate modeling of the element structure, and flow distribution inside element was revealed. 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 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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