平板陶瓷膜

技术领域

本发明涉及应用于水处理的平板状的陶瓷膜(下文，称为平板陶瓷膜)的结构。

背景技术

平板陶瓷膜用在水处理中的固液分离过程中(专利文献1等)。例如，通过泵等从浸渍在由如图15中的箭头表示的待处理水11中的平板陶瓷膜1的排水侧进行抽吸时，待处理水11从膜表面渗透通过平板陶瓷膜1至作为膜内部的集水通路的集水通道2。然后，通过渗透而得到的由同一图像中的箭头表示的过滤水12通过抽吸从集水通道2的一端侧转移至系统外部。此外，在平板陶瓷膜1的运用中，通过适时地使过滤水12从集水通道2侧向膜表面侧回流，消除和抑制膜表面的阻塞。另外，如图16A所示，通过从平板陶瓷膜1的下侧连续或间歇地供给用于清洗膜的空气13，在膜表面上产生沿着空气13的供给方向的箭头方向的剪切力，该剪切力以在中间成为最大的抛物线形状分布，从而消除阻塞。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开号2014-028331

专利文献2：日本未审查专利申请公开号2015-112527

发明内容

在平板陶瓷膜1的运用中，通过向膜表面供给空气13即通过所谓的向膜表面的空气扩散，消除和抑制膜表面的阻塞。然而，在电力消耗方面，需要空气13的供给量最小化。为了产生清洗平板陶瓷膜1所需的剪切力，需要预定供给量的空气。

若减少空气13的供给量，虽然沿着空气13的供给方向在平板陶瓷膜1产生的剪切力在中间成为最大，但是沿着空气13的供给方向产生的剪切力在端部侧成为最小(参见图16B)，并且在中间和端部侧的清洗效果的差异明显。因此，稳定的水处理变得困难。

另外，虽然形成平板陶瓷膜1的陶瓷基材是物理和化学稳定的，但是由于其被分类为脆性材料，因此当由于例如机器或设备的误操作和自然灾害等意外情况而出现超过基材的机械强度的限额(允许值)的应力时，存在陶瓷基材破损的风险。

本发明是鉴于以上情况而作出的，并且本发明的目的是提高平板陶瓷膜的机械强度并使水处理稳定。

作为本发明的一方面，平板陶瓷膜包含：由陶瓷制成的板状多孔支撑体；和在多孔支撑体的外表面上形成的过滤膜，其中，在多孔支撑体内部，形成有多个集水通路，并确保有过滤膜的膜表面和集水通路之间的厚度不同的区域，其中，待处理水渗透通过过滤膜而得到的过滤水在集水通路中流通。

作为本发明的一方面，在位于沿着用于膜清洗的空气的供给方向的端部附近的区域的厚度大于在端部附近以外的区域的厚度。

作为本发明的一方面，集水通路以恒定间隔布置。

作为本发明的一方面，在位于端部附近的区域中的集水通路的横截面小于在端部附近以外的区域中的集水通路的横截面。

作为本发明的一方面，集水通路的横截面从沿着供给方向的多孔支撑体的中间部分开始随着集水通路接近端部而变小。

作为本发明的一方面，用于排出从集水通路的一端开口供给的过滤水的排水部固定在多孔支撑体的一个端部。

根据本发明，可以提高平板陶瓷膜的机械强度并使水处理稳定。

附图简要说明

图1为根据作为本发明的一方面的实施方案1的平板陶瓷膜的截面图。

图2为示出沉积物在实施方案1的膜表面上的沉积状态(积聚状态或附着状态)的截面图。

图3为根据作为本发明的一方面的实施方案2的平板陶瓷膜的截面图。

图4为示出沉积物在实施方案2的膜表面上的沉积状态(积聚状态或附着状态)的截面图。

图5为根据作为本发明的一方面的实施方案3的平板陶瓷膜的截面图。

图6为示出沉积物在实施方案3的膜表面上的沉积状态(积聚状态或附着状态)的截面图。

图7为示出实施方案3的膜内部反冲洗剂的浸透状态(渗入状态或透过状态)的截面图。

图8为根据作为本发明的一方面的实施方案4的平板陶瓷膜的截面图。

图9为示出膜表面和集水通道之间的厚度和过滤水的流速之间的关系的说明图。

图10为说明实施方案4的作用效果的平板陶瓷膜的截面图。

图11A为说明在实施方案4进行反冲洗时的作用效果的平板陶瓷膜的截面图。图11B为示出实施方案4的膜内部反冲洗剂的浸透状态(渗入状态或透过状态)的截面图。

图12为根据作为本发明的一方面的实施方案5的平板陶瓷膜的截面图。

图13为根据作为本发明的一方面的实施方案6的平板陶瓷膜的截面图。

图14为示出本发明的实施例和比较例的膜压差随时间变化的特性。

图15为示出平板陶瓷膜的内部结构的立体图。

图16A为采用正常清洗空气量在平板陶瓷膜产生的剪切力的分布图。图16B为采用小于正常清洗空气量的清洗空气量在平板陶瓷膜产生的剪切力的分布图。

具体实施方式

以下将参考附图对本发明的实施方案进行说明。

[实施方案1]

如图15所示，图1所示的实施方案1的平板陶瓷膜1具有由陶瓷制成的板状(例如长板状)多孔支撑体21和在多孔支撑体21的外表面上形成的过滤膜22。

多孔支撑体21的基材由金属氧化物(金属的氧化物)制成。例如，应用氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、或这些材料的混合物(专利文献2)。

形成过滤膜22的无机材料是基材和改性剂的多孔复合体。作为基材，例如优选氧化铝；作为改性剂，例如优选二氧化钛(专利文献2)。

在多孔支撑体21内部，作为待处理水11渗透通过过滤膜22而得到的过滤水12在其中流通的集水通路，多个集水通道2彼此平行地形成。另外，在多孔支撑体21内部，确保有集水通道2之间的间隔彼此不同的至少两个区域。

特别地，在图1的平板陶瓷膜1的情况下，沿着用于膜清洗的空气13的供给方向(图16A和16B)的在位于端部3附近的每个区域A1(空气13的供给相对小的区域)中的集水通道2之间的间隔D1被设置为大于在端部3附近以外的区域A2(空气13的供给相对大的区域)中的集水通道2之间的间隔D2。

另外，如图16A和16B所示，作为用于排出从集水通道2的一端开口供给的过滤水12的排水部的集水管4液密地固定在平板陶瓷膜1的宽度方向的至少一个端部。另一方面，作为用于密封集水通道2的另一端开口的密封部的脚部(footer)5液密地固定在平板陶瓷膜1的宽度方向的另一端部。值得注意的是，可以在平板陶瓷膜1的宽度方向的两个端部提供集水管4，然后从这两个端部排出过滤水12。

将参考图1、2、15、16A和16B对本实施方案的平板陶瓷膜1的作用效果进行说明。

当图15的待处理水11通过泵等的抽吸在平板陶瓷膜1的膜表面20上经历固液分离时，待处理水11渗透通过过滤膜22，并且可在集水通道2中得到过滤水12。然后，过滤水12从平板陶瓷膜1的集水管4排出至系统外部。

另一方面，例如图16A和16B的待处理水11中含有的淤泥等固体组分沉积在对应于图2中所示集水通道2的平板陶瓷膜1的表面上。然后，通过用于膜清洗的空气13的气泡剪切力来去除平板陶瓷膜1的该固体组分的沉积物10，空气由图16A和16B中所示的配置在平板陶瓷膜1下方的空气扩散管6供给。

如上所述，与区域A2中的剪切力相比，平板陶瓷膜1的区域A1中的剪切力弱(图16A和16B)。另一方面，在本实施方案的平板陶瓷膜1的情况下，由于在区域A1中的集水通道2之间的间隔D1被设置为大于在区域A2中的集水通道2之间的间隔D2，因此在区域A1中的固体组分的沉积量小于在区域A2中的固体组分的沉积量(图2)。因此，可通过小于区域A2中的剪切力的气泡剪切力来去除区域A1中的沉积物10。因此可以在整个平板陶瓷膜1均匀地去除沉积物10。

另外，由于确保间隔D1的区域A1是沉积物10少的区域，空气13的气泡倾向进入平板陶瓷膜1和沉积物10之间，并因此提高区域A1中的清洗效果。

当由于平板陶瓷膜1上过量载荷而出现裂纹时，区域A1中的应力集中变为裂纹的起源(起始点)。由于平板陶瓷膜1形成为使得在区域A1中的集水通道2之间的间隔D1被设置为大于在区域A2中的集水通道2之间的间隔D2，因此区域A1中陶瓷基材量相对高。这导致平板陶瓷膜1的机械强度提高。

[实施方案2]

就图3所示的实施方案2的平板陶瓷膜1而言，沿着用于膜清洗的空气13的供给方向的在区域A2中的中间部分C的集水通道2之间的间隔D1被设置为大于在区域A2中的集水通道2之间的其他间隔L2，除此以外，与实施方案1相同。

根据以上的平板陶瓷膜1，在区域A2中，由于中间部分C的集水通道2之间的间隔D1被设置为大于集水通道2之间的其他间隔D2，如图4所示，因此在中间部分C形成作为沉积物剥落(分离或分层)的起源的点。因此，除实施方案1的效果之外，可在长时间内进行稳定的固液分离。而且，由于对空气13的剪切力成为最大的平板陶瓷膜1的陶瓷基材的部分(中间部分C)进行增强，因此进一步提高整个平板陶瓷膜1的机械强度。

[实施方案3]

就图5所示的实施方案3的平板陶瓷膜1而言，在区域A1中的集水通道2的横截面S1小于在区域A2中的集水通道2的横截面S2，除此以外，与实施方案1相同。

根据以上的平板陶瓷膜1，可得到与实施方案1同样的作用效果。特别地，由于提高端部3附近部分的陶瓷基材量，因此进一步提高平面陶瓷材料1的机械强度(图6)。

在此，若本实施方案的集水通道2的横截面S1和S2是实施方案2的平板陶瓷膜1，则可以提高该平板陶瓷膜1的机械强度。

[实施方案4]

通过清洗方法(化学反冲洗)化学去除引起膜阻塞的附着于平板陶瓷膜1的膜内部和表面的物质，在该方法中将化学溶液例如次氯酸钠从集水通道2侧送至膜表面。此时，例如在图7所示的实施方案2的平板陶瓷膜1的内部，出现化学溶液的浸透部A3和化学溶液的非浸透部A4。非浸透部A4可使得生物膜生长，引起膜阻塞，从而可导致过滤效率降低。

因此，在图8和9所示的实施方案4的平板陶瓷膜1的情况下，在施加化学反冲洗的平板陶瓷膜1，确保有膜表面20和集水通道2之间厚度不同的区域，从而实现高通量和提高平板陶瓷膜1的机械强度。

就图9所示的平板陶瓷膜1而言，虽然集水通道2以恒定间隔布置，但是在区域A1中的膜表面20和集水通道2之间的厚度L4被设置为大于在区域A2中的膜表面20和集水通道2之间的厚度L3，除此以外，与实施方案1相同。另一方面，沿着膜表面20的、区域A1和A2中的集水通道2的内径L2和L1被设置为相同尺寸。

期望的是以恒定间隔形成集水通道2，根据使用条件等，以与实施方案1相同的方式，在区域A1中的集水通道2之间的间隔D1可被设置为大于在端部3侧以外的区域A2中的集水通道2之间的间隔D2。

将参考图8至11对本实施方案的平板陶瓷膜1的作用效果进行说明。

如图9所示，无论集水通道2的形状和尺寸如何，作为由抽吸泵等产生的过滤的驱动力的压差P是均匀的。另一方面，过滤渗透的阻力R根据膜表面和集水通道2之间的间隔而不同。因此，在集水通道2的内径小并且膜表面20和集水通道2之间的厚度大的情况下，过滤水的流速Q变低。对于图9中区域A1和A2中的集水通道2而言，当内径L2等于内径L1(内径L2＝等于内径L1)且厚度L4大于厚度L3(厚度L4>厚度L3)时，流速Q1高于流速Q2(流速Q1>流速Q2)。流速Q1表示厚度L3的膜表面20和集水通道2之间的过滤水的流速。流速Q2表示厚度L4的膜表面20和集水通道2之间的过滤水的流速。即，平板陶瓷膜1的阻塞(或堵塞)程度受到集水通道2的形状的影响。

根据以上的平板陶瓷膜1，由于在区域A1中的膜表面20和集水通道2之间的厚度L4大于在区域A2中的膜表面20和集水通道2之间的厚度L3，因此在区域A1和区域A2之间产生处理量的差异。如图10所示，虽然在供给大量待处理水的平板陶瓷膜1的区域A2中沉积更多阻塞物质，但是由于空气扩散的清洗效果高，因此可继续稳定的过滤。特别地，如图10所示，由于在区域A1和区域A2之间产生沉积物10的厚度差，沉积物10的台阶部分变为通过气泡剥落(分离或分层)的起源(起始点)SP，因此，与以往的平板陶瓷膜相比过滤效率提高。

在反冲洗期间，如图11A所示，由于在区域A2中的集水通道2和膜表面20之间的反冲洗液的流速Q1多于在区域A1中的集水通道2和膜表面20之间的反冲洗液的流速Q2，因此反冲洗效果提高。此时，以局部存在的大的集水通道2作为起源(起始点)，膜状阻塞物质剥离(分层或剥落)并去除。另外，在化学反冲洗期间，如图11B所示，由于反冲洗液或化学溶液渗透通过集水通道2的周边区域A5并浸透整个平板陶瓷膜1，因此清洗效果提高。

另外，在过滤和反冲洗之间转换时，由于装置的故障或不正确的步骤，可发生管中的压力由于流速的突然变化而瞬时上升或下降的水锤现象。当发生这种现象时，压力作用于平板陶瓷膜1，并且同时产生振动，根据所产生载荷程度可引起平板陶瓷膜1的破损。

与此相对，在本实施方案的平板陶瓷膜1的情况下，形成有膜表面20和集水通道2之间的厚度不同的区域，因此多孔支撑体21在多孔支撑体21内部具有部分厚度。由此，平板陶瓷膜1的机械强度提高，从而防止由水锤现象引起的平板陶瓷膜1的破损。

根据实施方案4，可提高平板陶瓷膜1的空气扩散清洗(空气清洗)和背压清洗(反冲洗、化学反冲洗)的效率。因此，有效地去除引起膜阻塞的物质并可实现高通量。

[实施方案5]

就图12所示的实施方案5的平板陶瓷膜1而言，除了在区域A1中的集水通道2的横截面形状为圆形以外，与实施方案4相同。

根据本实施方案，由于在区域A1的中集水通道2的横截面积小于在区域A2中的集水通道2的横截面积，因此显然可以得到与实施方案4同样的作用效果。特别地，由于在区域A1中的集水通道2为圆形，因此在区域A1的机械强度提高，并可得到耐外部载荷的平板陶瓷膜1。

[实施方案6]

就图13所示的平板陶瓷膜1而言，沿着用于膜清洗的空气的供给方向的集水通道2的横截面形成为从平板陶瓷膜1(多孔支撑体21)的中间部分C开始随着其接近端部而变小，除此以外，与实施方案5相同。例如，如图13所示，在区域A1中的位于接近区域A2的集水通道2的横截面相对于平板陶瓷膜1的厚度方向具有不对称形状(例如比在区域A1中的集水通道2的大致矩形横截面小的D型横截面)。

根据本实施方案，可得到与实施方案4和5同样的作用效果。此外，可以根据扩散空气量调节集水通道2中收集的水的量，从而更有效地进行过滤。

实施例

表1示出相对于作为比较例的常规平板陶瓷膜的机械强度的实施例1至3的平板陶瓷膜1的机械强度。为了比较机械强度，比较导致平板陶瓷膜破损的局部载荷值。

[表1]

如从表1的结果可知，实施例1至3提供相对于比较例的机械强度更高的机械强度。特别地，发现通过实施例3机械强度进一步提高。

另外，图14示出实施例1至3和比较例的膜压差随时间的变化。

在实施例1至3和比较例中，将过滤通量设置为1.27m/天，将反冲洗流速设置为过滤时的流速的两倍，将扩散空气量设置为过滤时的量的十倍，以及以过滤时间为9.5分钟和反冲洗时间为0.5分钟的方式设置运转周期。此外，包括通过反冲洗使过滤水返回的净运转通量为1.08m/天。

根据图14所示的膜压差随时间的变化，发现比较例的膜压差从初始值随时间明显增加，然而实施例1至3的膜压差的变化是从初始时间起小幅增加。由此，通过实施例1至3可实现通过使用平板陶瓷膜的固液分离的水处理的长期稳定。

根据实施例1至3的平板陶瓷膜1，与区域A2相比，可以降低在区域A1中的固体组分的沉积物10的量，提高通过空气扩散的平板陶瓷膜1的表面的清洗效果。特别地，可防止沿着用于膜清洗的空气13的供给方向延伸的平板陶瓷膜1的端部3周围的膜阻塞(膜堵塞)。另外，平板陶瓷膜1的区域A1(在实施例3的情况下，区域A1和中间部分C)的机械强度提高(表1)，从而减小由于例如机器或设备的误操作和自然灾害等意外情况而出现平板陶瓷膜1破损的风险。