ナノ濾過 (NF) 膜は、有機物、硬度イオン、微量汚染物質を除去する能力があるため、高度な水処理においてますます重要になっています。ただし、NF システムは長期運用中に、多くの場合、急速な光束の低下、より頻繁な洗浄の必要性、運用サイクルの短縮に直面します。-根本的な原因は、膜ファウリングの複雑かつ急速に進行する性質にあります。-天然水には汚れの原因となる可能性のある広範囲の物質が含まれていますが、工学規模の研究により、汚れの進行の真の決定要因は、一般に疑われている有機物、硬度、濁度ではなく、むしろであることが明らかになりました。-アルミニウムそして、それがカルシウム、シリカ、有機物と一緒に形成する複合汚染物質です。
NF 膜の活性層は通常、負の表面電荷を帯びており、カルボキシル基などの官能基を含んでいます。これらの特性により、膜は正に帯電した金属イオンや錯体を形成する金属イオンの吸着を非常に受けやすくなります。-アルミニウムは最も反応性の高い金属イオンの 1 つです。供給水中のアルミニウムの濃度が低い場合でも、アルミニウムは膜表面に急速に蓄積し、より複雑で高密度のファウリング構造を引き起こす初期のファウリング層を形成する可能性があります。運転が続くと、アルミニウムは有機物、シリカ、カルシウムと相互作用して、さまざまな架橋反応や錯体形成反応を引き起こします。これらの相互作用により、汚れは初期段階の点堆積から大面積のゲル層に変化し、水圧抵抗が大幅に増加し、正規化されたフラックスの低下が加速され、最終的には洗浄サイクルが短縮されます。{6}}
ファウリング層の組成を詳しく見ると、有機炭素、カルシウム、シリカが一般的な成分である一方で、アルミニウムが一貫して中心的な役割を占めていることがわかります。フミン酸やフルボ酸などの天然有機物は金属イオンと錯体を形成する傾向があり、カルシウムは有機化合物をつなぐ架橋剤として機能します。アルミニウムがこれらの反応に関与すると、結果として生じる汚れの層はより緻密になり、粘着力が強くなります。時間の経過とともに、汚れに対する耐性は単純な堆積からゲル層に対する耐性と、物理的なフラッシングだけでは除去できない不可逆的な内部汚れに移行します。{3}}この開発により汚れの速度が加速し、膜の性能が急速に低下します。
アルミニウムの重要性は、NF 動作サイクル長との強い相関によってさらに説明されます。長期運用データの統計分析によると、各ろ過サイクルの期間に反映されるファウリング率は、TOC や硬度よりもはるかに高い供給水中のアルミニウム濃度と最も強い相関関係を持っていることがわかりました。-供給アルミニウム濃度が 100 ～ 150 ug/L の範囲に収まると、NF システムの動作サイクルが非常に短くなります。ただし、アルミニウムを 50 ug/L 以下に減らすと、膜の動作サイクルを 2 倍以上延長することができます。これは、アルミニウムが単なる汚れ成分ではないことを示しています。それは真の汚れ-誘発因子それは、膜がいつ急速な汚れの段階に入るかを決定します。
ほとんどのアルミニウムは前処理で使用される凝固化学物質（{0}}PAC やミョウバンなど）-に由来するため、残留濃度を下げることが NF の安定性にとって重要です。すべての管理手段の中で、給水の pH を調整することが最も簡単で効果的です。{3}水中のアルミニウムの種形成は、pH-に大きく依存します。 pH 6.5 ～ 7.0 の範囲内では、凝固効率が大幅に向上し、アルミニウムは主にポリマー形態で存在し、沈降または限外濾過による除去がはるかに容易になります。これにより、NF システムに到達する溶解アルミニウムまたは低ポリマー アルミニウムの濃度が大幅に減少します。{10}実験結果は、飼料の pH を 6.5 ～ 7.0 に調整すると、残留アルミニウムが約 25 ～ 48 ug/L に減少し、その後の NF 操作に大きな利点がもたらされることを示しています。
アルミニウムの削減によってもたらされる改善は、実稼働中にはっきりと観察されます。同一の流束と回収条件下では、高アルミニウム供給水では急速な流束低下が生じますが、低-アルミニウム供給水ではより遅い流束減衰が生じます。ファウリング曲線は著しく平坦になり、より安定した膜性能を反映しています。これにより、運用サイクルが延長されるだけでなく、化学洗浄の頻度、化学薬品のコスト、全体的な運用の複雑さが軽減されます。
要約すると、ナノ濾過システムの汚れは単一の汚染物質によって引き起こされるのではなく、アルミニウムを中心とし、カルシウム、有機物、シリカによって強化された複合構造によって引き起こされます。アルミニウムは-ファウリング反応の開始、加速、橋渡し-という複数の役割を果たしており、NF ファウリング率に影響を与える最も重要な要素となっています。凝固条件を最適化し、凝固剤の投与量を制御し、供給水の pH を 6.5 ～ 7.0 に維持することで、オペレータはアルミニウム残留物を大幅に削減し、水源での膜の汚れを軽減できます。{4}このアプローチにより、NF 膜の運用サイクルが大幅に延長され、高度な水処理システムの全体的な安定性と費用対効果が向上します。{8}}
