限外ろ過膜技術の応用概要

限外ろ過膜技術の応用概要

限外ろ過（UF）技術の応用

限外ろ過の原理:

限外ろ過（UF）は、近年発展した高度な膜分離技術であり、主に材料科学によって推進されています。さまざまな産業および自治体分野で広く応用されています。

UFは、多孔質材料のろ過能力を利用して、流体から粒子状物質や溶解成分を分離する圧力駆動型の膜分離プロセスです。限外ろ過膜の代表的な細孔径は0.01〜0.1ミクロンであり、バクテリア、ほとんどのウイルス、コロイド、およびスラッジに対して高い除去率を提供します。公称細孔径が小さいほど、除去率は高くなります。限外ろ過膜は通常、高分子材料で作られており、主に疎水性ですが、親水性を高めるために改質することもできます。このプロセスは周囲温度で動作し、相変化がなく、二次汚染を引き起こしません。

限外ろ過膜は、二重層中空糸構造のポリフッ化ビニリデン（PVDF）材料を使用しています。PVDF限外ろ過膜は通常、最も小さい公称細孔径を持ち、ほぼすべての粒子、バクテリア（4-log除去率）、ほとんどのウイルス、およびコロイドを効果的に除去します。細孔径が小さいにもかかわらず、その高い多孔性により、UFは精密ろ過と同等のフラックスを達成でき、ほとんどの場合、より良い選択肢となります。

限外ろ過は、目詰まりを防ぎ、より高いファウリング容量、より広いろ過面積、およびより容易な洗浄を提供する外部圧力構造を使用しています。ろ過モードは、クロスフローからデッドエンドフローに変更でき、後者はより低いエネルギー消費、より低い動作圧力、したがってより低い運用コストを提供します。ただし、クロスフローろ過は、より高い懸濁固形物含有量の流体の処理に適しています。操作モードの選択は、原水中の懸濁固形物含有量によって異なります。

UFは通常、一定流量モードで動作し、膜間圧力（TMP）は時間の経過とともに徐々に増加します。定期的な逆洗またはエアースカウリングは、ファウリング層を除去でき、バイオサイドまたは他の洗浄剤は、微生物の増殖を制御し、汚染物質をより効果的に除去できます。

水処理では、UFは微粒子、コロイド、バクテリア、ウイルス、エンドトキシン、タンパク質、および高分子有機化合物を除去することにより、水を浄化するために使用されます。

限外ろ過の利点と欠点

限外ろ過の利点と特徴

• 長寿命:親水性改質を施した特殊設計のPVDF材料で作られたUF膜は、優れた耐酸化性、疲労強度、耐ファウリング性、および長寿命を備えています。

• 高水質:UFの平均ろ過精度は0.03μmで、高いバブルポイント圧力を持ちます。そのバクテリア除去率は6-logに達し、より良い水質を提供します。

• 幅広い適用性:UFの外部圧力構造と特許取得済みの配水設計により、原水中の懸濁固形物含有量が高くても、水質が悪い用途に適しており、高い水回収率を確保できます。

• 低運用コスト:外部圧力UFシステムは、費用対効果の高い空気水混合洗浄方法を使用して、長期的な安定したフラックスを維持し、化学洗浄剤を節約します。

限外ろ過の主な用途

限外ろ過は主に、産業用途、食品および生化学プロセス、および飲料水の3つの分野で応用されています。これらについては以下で詳しく説明します。

1. 産業用途:産業プロセスにおける限外ろ過は、次の3つのタイプに分類できます:

   • (1) 濃縮

   • (2) 低分子溶質の分離

   • (3) 高分子溶質の分別。

   ほとんどの産業用途は濃縮に該当します。方法は、高分子と組み合わせて低分子溶質を分離するために使用できます。たとえば、遊離カルシウムとカルシウム結合タンパク質の分離が1つの例です。脱塩やイオン交換などの低分子溶質の分離は、限外ろ過単独または透析と組み合わせて行うことができます。高分子溶質の分別は、異なる分子量カットオフ値を持つ膜を使用するか、カットオフ値が徐々に減少する複数のUFユニットを組み合わせることによって実現できます。

   産業用途には以下が含まれます:

   • 電着塗装の回収

   • 油性廃水の回収

   • 重金属廃水処理

   • その他の産業用途

2. 電着塗装の回収:金属の電着塗装中、帯電した金属物体を反対に帯電した塗料が入ったタンクに浸し、金属表面に均一なコーティングを形成します。その後、塗料を洗い流します。環境を保護し、エネルギーを節約するために、UFを使用してポリマー樹脂と顔料粒子を保持し、無機塩、水、および溶剤を通過させます。保持された成分は、電着塗装タンクに戻されます。

3. 油性廃水の回収:油水エマルジョンは、金属加工、特に切削および研削プロセスで広く使用されています。油と水の界面張力により、油滴が膜を通過できないため、UFは廃水から油を効果的に分離できます。ろ過された流出液には通常、10g/m³未満の油濃度が含まれており、排出基準を満たしています。濃縮液には30％〜60％の油が含まれており、燃焼またはその他の用途に使用できます。

4. 重金属廃水処理:ミセルエンハンスド限外ろ過（MEUF）は、UFと界面活性剤技術を組み合わせた最近の開発です。臨界ミセル濃度を超える界面活性剤を添加することにより、ミセルの疎水性末端が金属カチオンを捕捉し、ミセルの分子量カットオフよりも小さい分子量カットオフを持つUF膜が金属イオンを効果的に除去できます。

   MEUFは、Cd²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺などのイオンを高い除去効率で効果的に分離でき、金属イオンを含む廃水処理に適用できます。ただし、MEUFは、低濃度の金属イオンには適していません。

5. その他の産業用途:

   • 電子機器用精製水の製造:UFは、コロイド、粒子、およびバクテリアを除去して高純度水を生成するために使用され、半導体製造などの産業に不可欠です。

   • 食品産業における廃水処理:UFは、食品加工産業におけるデンプンや酵素を含む廃水を処理するために使用されます。

   • ウール洗浄液処理:UFは、乳化したウールグリースを含む洗浄液を処理するために使用できます。

   • 製紙工場の流出液処理:UFは、製紙工場の流出液中のリグノスルホン酸塩を分離および濃縮するために使用されます。

1. 酪農産業（ホエー処理）:限外ろ過は、酪農産業、特にホエー処理で広く使用されています。ホエーを濃縮することにより、UFはタンパク質を分離でき、ベーキング製品の脱脂粉乳の代替品として使用できるホエーパウダーが得られます。限外ろ過は、乳糖を除去して、ベビーフード用のタンパク質が豊富な製品も生成できます。

2. ジュースの清澄化:UFは、リンゴジュースなどの新鮮なフルーツジュースを清澄化するために使用され、ペクチンやその他の化合物がよく含まれています。この方法により、酵素、粘土、ゼラチンの必要性が減り、材料、労力、および時間を節約できます。ジュースの品質も向上し、微生物の除去により賞味期限が延長されます。

3. 血清アルブミンの抽出:UFは、多段階プロセスで血漿から血清アルブミンを分離するために使用されます。アルブミンは、異なる分子量カットオフを持つUF膜を使用してろ過され、血清アルブミンの濃縮と精製に役立ちます。

結論

限外ろ過（UF）技術は、水処理、食品および飲料、医薬品など、さまざまな産業で広く応用されている、用途が広く効率的な膜分離技術です。微粒子、バクテリア、ウイルス、およびその他の汚染物質を除去する能力により、高水質の達成、廃水の浄化、および産業プロセスの強化に不可欠なツールとなっています。