Technology
New Logic Research、Inc.-テクノロジー紹介
液体から固体への膜ベースの分離は、過去20年間で人気が高まっていますが、この技術には、すべての膜デバイスに影響を及ぼす固有のアキレス腱があります：ファウリング。このスループット容量の長期的な損失は、主にろ過プロセス中に膜表面に自然に堆積する境界層の形成によるものです。膜のフラックス性能の削減に加えて、この境界またはゲル層は、使用中の膜の本来の設計選択性を低下させる二次膜として機能します。固形物の蓄積を処理できないことにより、膜の使用が低固形物供給流に制限されています。
図1
図1：クロスフロー
この境界層の蓄積を最小限に抑えるために、膜の設計者は、境界層の影響を減らす手段として、膜の表面を横切って送り出される高速の流体の流れに依存するタンジェンシャルフローまたはクロスフローろ過と呼ばれる方法を使用しました。 （図1を参照）この方法では、膜エレメントをプレートアンドフレーム、チューブラー、またはスパイラル巻きのカートリッジアセンブリに配置します。 （フィードストリーム）、急速にポンプでくまれます。
クロスフロー設計では、10〜15,000インバース秒を超えるせん断力を作成することは経済的ではないため、クロスフローの使用を低粘度（水）流体に制限します。さらに、クロスフロー速度の増加により、デバイスの入口（高圧）から出口（低圧）端への大幅な圧力低下が発生し、透過速度が低下するまでデバイスをクリープアップさせる膜の早期ファウリングが発生します容認できないほど低いレベルに。
図2
図2
しかし、New Logicは、膜の表面に強いせん断波を生成する代替方法を開発しました。この手法は、振動せん断強化処理（VSEP）と呼ばれます。 VSEPシステムでは、フィードスラリーはほぼ静止したままで、平行な膜リーフ要素間でゆっくりと蛇行する流れで移動します。せん断洗浄作用は、膜の面に接する方向にリーフ要素を激しく振動させることにより作成されます。 （図4を参照）
膜の振動によって生成されたせん断波により、固体と汚染物質が膜表面から持ち上げられ、膜スタックを流れるバルク材料と再混合されます。この高せん断処理により、通常のクロスフローシステムのスループットの3〜10倍のスループットが最大になるように、膜の細孔が露出します。 （上の図2を参照）
VSEPメンブレンフィルターパックは、平行ディスクとして配列され、ガスケットで分離されたリーフ要素で構成されています。ディスクスタックは、各面に膜があるレコードチェンジャーのレコードに似ています。
図3
図3
ディスクスタックは、約7/8インチ（2.22センチ）前後にスタックを動かすねじりバネの上で振動します。この動きは洗濯機の攪拌機に似ていますが、人間の目で知覚できる速度よりも速い速度で発生します。振動により、膜表面で約150,000インバース秒（200 Gを超える力に相当）のせん断が発生します。これは、従来の最適なクロスフローシステムのせん断速度の約10倍です。さらに重要なことは、VSEPシステムのせん断は膜表面に集中しており、費用効果が高く、汚れを防ぐのに最も役立ちますが、膜ディスク間のバルク流体はほとんど移動しません。
図4
図4
VSEPは、フィードフローに起因するせん断力に依存しないため、フィードスラリーは非常に粘性が高くなり、引き続き正常に脱水されます。濃縮物は基本的に振動ディスク要素間で押し出され、所望の濃度レベルに達すると機械から排出されます。したがって、VSEPシステムはシステムを1回通過するだけで実行でき、高価な作業タンク、補助装置、および関連するバルブの必要性がなくなります。
膜面積1,400 ft2（130平方メートル）のシステムのディスクパックホールドアップボリュームは、50ガロン（189リットル）未満です。その結果、バッチプロセスでの製品の回収率が非常に高くなる可能性があります。スタックの排水後の廃棄物は3ガロン（11リットル）未満です。
VSEPシステムの操作：
起動時に、VSEPシステムにスラリーが供給され、濃縮液バルブが閉じられます。透過液が生成され、フィード内の浮遊固形物がVSEPフィルターパック内に収集されます。プログラムされた時間間隔の後、バルブ1が開かれ、蓄積された濃縮固体が放出されます。その後、バルブを閉じて、追加のフィード材料を濃縮します。このサイクルは無期限に繰り返されます。
膜の選択は、分離の品質に影響する単一の最も重要なパラメーターです。システムのパフォーマンスに影響を与えるその他の重要なパラメーターは、圧力、温度、振動振幅、および滞留時間です。これらの要素はすべて、テスト中に最適化され、システムを制御するプログラマブルロジックコントローラー（PLC）に入力されます。
動作圧力はフィードポンプによって生成されます。 VSEPマシンは、1,000 psig（68.95 BAR）の圧力で日常的に動作できます。圧力が高くなると透過水流量が増加することがよくありますが、より多くのエネルギーを使用します。したがって、流量とエネルギー消費のバランスを最適化する動作圧力が使用されます。
ほとんどの場合、ろ過温度は操作温度を上げることでさらに改善できます。標準VSEPシステムの温度制限は175°F（79°C）であり、競合の膜技術よりも大幅に高くなっています。さらに高温の構造も利用できます。
振動振幅と対応するせん断速度も変えることができ、ろ過速度に直接影響します。せん断は、フィルタースタックのねじれ振動によって発生します。通常、スタックは3/4〜1 1/4インチ（1.9〜3.2 cm）の振幅で振動し、スタックのリムでピークからピークへの変位を生じます。振動周波数は約53 Hzで、約150,000インバース秒のせん断強度を生成します。
フィード滞留時間は、出口バルブの開閉頻度（バルブ1）によって設定されます。フィード材料が機械に残っていると、フィードの固形物レベルが増加します。時々、クリーナーが膜スタックに追加され、継続的な振動が数分で膜をきれいにするのに役立ちます。このプロセスは自動化でき、約50ガロン（189リットル）の洗浄液のみを消費するため、他の膜システムに固有の洗浄剤廃棄の問題が軽減されます。