JP7764375B2 - 水性材料から汚染物質を除去する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、水性材料から汚染物質を除去する方法に関する。本発明は、水性材料供給流から汚染物質を除去する装置にも関する。

特に、しかし制限的ではなく、本発明は重合プロセスから得られた廃水を回収したり、再利用するための廃水の処理に関する。

数種類のポリマーが、乳化や懸濁重合によって製造される。これらのポリマーは、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ（メチル）メタクリレート（ＰＭＭ）、ポリアクリレート（ＰＡ）などを含む。

典型的には、懸濁重合反応によって直径で約５０μｍ～５ｍｍの範囲に寸法を有する粒子を製造する。典型的には、乳化重合反応によって約２μｍ～１５０μｍの範囲に寸法を有する粒子を製造する。

典型的には、重合の前後又は重合中に、重合プロセスに水やその他の添加物が添加される。添加物は、モノマー液滴の形成やそれによるポリマーの粒子を調整するための物質を含む。重合プロセスにおいて用いられる添加物の例として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）のような粒子安定剤、液滴の寸法を調整及び調節するための表面活性剤、プロセスの最初又はプロセス中において添加される触媒や促進剤、反応停止試薬を含む。

重合プロセスは典型的に、水に粉状ポリマーを溶かしたスラリーを形成する。そのような粉状ポリマーは、遠心分離や乾燥によって除去される。

遠心分離工程から得られた上澄み液は、タンク中に廃液として回収され、回収した上澄み液から残留ポリマー粒子や他の汚染物質が除去処理されない限り、回収した上澄み液は、再利用することができない。

汚染物質は、塩、表面活性剤、安定剤分子のような粒状及び非粒状添加物を含む。ＰＶＣ重合反応から得られた廃水は、さらに、塩化ビニルモノマーの分解によって形成された遊離塩素などの汚染物質やポリマー粒子を含んでいることがある。

重合反応、特にＰＶＣを製造する際の重合反応によって生じる廃水の回収に関連する問題の一つとして、生物付着を最小限にするために、回収プロセスにおいて、１つ又はそれ以上の段階で廃水を冷却する必要があることが挙げられる。

ラウリル硫酸ナトリウムなどの廃水中の幾つかの汚染物質は、冷却水プロセスで採用する既存の廃水回収技術に用いられる膜状フィルターにおいて、バクテリアの成長を促進するからである。硫黄還元菌のような幾つかのバクテリアは、毒性、腐食性、可燃性を有する硫化水素を生成するため、工業環境において望ましくない。

しかし、廃水の冷却に関連した新たな問題が生じる。
回収される廃水の冷却は、幾つかのＰＶＣのような合成ポリマー、安定剤、表面活性剤、重合反応のために水に添加される他の残留化学物質のような廃液中に存在する汚染物質の溶解性を低下する。

さらに、ポリマー重合反応時に生成されるＰＶＣ粒子のようなポリマー粒子の存在により、ろ過が困難である。
ＰＶＣ粒子は凝集しやすく汚染物質を廃水から除去するために用いるフィルターの効率を妨げたり、著しく低下させたりする。

さらに、ＰＶＣ粒子にはポリ塩化ビニルアルコール（ＰＶＡ）が付着し、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）は、ＰＶＣ粒子同士を結合させてＰＶＣが隙間や開口間を埋めるのを促進し、回収プロセスにおいて流体がフィルターを通して流れるのを制限する。

既存の膜技術では、廃水における効果的な回収ができない。
粒状及び非粒状汚染物質を効果的にろ過することができる、新規の廃水回収方法又は技術が待たれる。
また、生物付着を低減できる改良型膜技術の開発も待たれる。

第１の態様によれば、水性材料から汚染物質を除去する方法が提供され、当該方法は、
１つ又はそれ以上の非粒状汚染物質を含む水性材料を用意する工程と、
前記１つ又はそれ以上の非粒状汚染物質の少なくとも一部を除去するために、前記水性材料をろ過して前記水性材料の回収部分を形成し、汚染物質の量を前記水性材料の前記回収部分の再使用を可能とする量に低減する工程とを含み、
前記水性材料のろ過は、前記水性材料を５０℃より高い温度で部分透過膜に通過させる工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記ろ過工程は、５０℃より高い温度で前記水性材料に対して逆浸透を行う工程を含むことを特徴とする。

第２の態様によれば、水性材料から汚染物質を除去する方法が提供され、当該方法は、
粒状汚染物質を含んだ１つ又はそれ以上の汚染物質を含む水性材料を用意する工程と、
前記水性材料に対して第１ろ過工程を行い、粒状汚染物質を前記水性材料から実質的に除去して部分ろ過済水性材料を形成する工程と
前記部分ろ過済水性材料に対して第２ろ過工程を行い、前記部分ろ過済水性材料から前記残留汚染物質の少なくとも一部を除去して前記水性材料の回収部分を形成し、汚染物質の量を前記水性材料の前記回収部分の再使用を可能とする量に低減する工程とを含み、
前記第２ろ過工程は、前記部分ろ過済水性材料を５０℃より高い温度で部分透過膜に通過させる工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、第２ろ過工程は、５０℃より高い温度で前記水性材料に対して逆浸透を行う工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記第１ろ過工程は、前記水性材料に対して精密ろ過を行う工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記第１ろ過工程は、前記水性材料に対して前記精密ろ過を行う前に、前記水性材料を遠心分離して前記水性材料中の粒状汚染物質の濃度を低減する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記第１ろ過工程は、
（ｉ）前記水性材料をハイドロサイクロンに送り、溢流流れと下流流れとを形成し、前記溢流流れは、前記下流流れと比べて粒状汚染物質の濃度を低減する工程と、
（ｉｉ）前記溢流流れに対して精密ろ過を行い、粒状汚染物質を除去して部分ろ過済水性材料を形成する工程を含むことを特徴とする。

前記溢流流れに対して精密ろ過を行う工程は、約５０℃～約９０℃の範囲の温度で行ってもよい。

幾つかの実施例において、前記方法は前記下流流れをハイドロサイクロンに送り、前記水性材料と結合可能な溢流流れを形成する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記方法は前記第１下流流れ及び／又は前記第２下流流れを粒状汚染物質回収プロセスに送る工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、第１ろ過工程は、
（ｉ）前記水性材料をハイドロサイクロンに送り、第１溢流流れと第１下流流れとを形成し、前記第１溢流流れは、前記下流流れと比べて粒状汚染物質の濃度を低減する工程と、
（ｉｉ）前記第１溢流流れをハイドロサイクロンに送り、第２溢流流れと第２下流流れとを形成し、前記第２溢流流れは、前記第２下流流れと比べて、粒状汚染物質の濃度を低減する工程と、
（ｉｉｉ）前記第２溢流流れに対して精密ろ過を行い、前記部分ろ過済水性材料を形成する工程を含むことを特徴とする。

前記溢流流れに対して精密ろ過を行う工程は、約５０℃～約９０℃の範囲の温度で行ってもよい。

幾つかの実施例において、前記方法は、前記第１下流流れ及び／又は前記第２下流流れをハイドロサイクロンに送り、前記水性材料と結合可能な溢流流れを形成する工程をさらに含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記方法は、前記第１下流流れ及び／又は前記第２下流流れを粒状汚染物質回収プロセスに送る工程をさらに含むことを特徴とする。

第３の態様によれば、水性材料から汚染物質を除去する方法が提供され、当該方法は、
粒状汚染物質を含んだ１つ又はそれ以上の汚染物質を含む水性材料を用意する工程と、
前記水性材料に対して前処理工程を行い、前記水性材料中の粒状汚染物質の濃度を低減して、前処理済水性材料を形成する工程と、
前記前処理済水性材料に対して第１ろ過工程を行い、前記水性材料から前記粒状汚染物質を実質的に除去して、部分ろ過済水性材料を形成する工程と、
前記部分ろ過済水性材料に対して第２ろ過工程を行い、前記部分ろ過済水性材料から前記残留汚染物質の少なくとも一部を除去して前記水性材料の回収部分を形成し、汚染物質の量を前記水性材料の前記回収部分の再使用を可能とする量に低減する工程とを含み、
前記第２ろ過工程は、前記水性材料を５０℃より高い温度で部分透過膜に通過させる工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記第２ろ過工程は、５０℃より高い温度で前記水性材料に対して逆浸透を行う工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記前処理工程は、
前記水性材料を遠心分離して、少なくとも１０μｍの直径を有する粒状汚染物質を除去することによって、前記水性材料中の粒状汚染物質の数を低減する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記第１ろ過工程は、前記水性材料に対して精密ろ過を行い、粒状汚染物質を除去する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記精密ろ過は、前記溢流流れを膜に通過させ、前記精密ろ過を約５０℃～約９０℃の範囲の温度で行う工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記前処理工程は、
前記水性材料をハイドロサイクロンに送り、溢流流れと下流流れとを形成し、前記溢流流れは、前記下流流れと比べて粒状汚染物質の濃度を低減して、前記溢流流れは、前記前処理済水性材料を形成する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記方法は、前記下流流れをハイドロサイクロンに送り、前記水性材料と結合可能な溢流流れを形成する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記方法は、前記下流流れを前記粒状汚染物質回収プロセスに送る工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記前処理工程は、
（ｉ）前記水性材料をハイドロサイクロンに送り、第１溢流流れと第１下流流れとを形成し、前記第１溢流流れは、前記下流流れと比べて、粒状汚染物質の濃度を低減する工程と、
（ｉｉ）前記第１溢流流れをハイドロサイクロンに送り、第２溢流流れと第２下流流れとを形成し、前記第２溢流流れは、前記第２下流流れと比べて粒状汚染物質の濃度を低減し、前記前処理済水性材料を形成する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記方法は前記第１下流流れ及び／又は前記第２下流流れをハイドロサイクロンに送り、前記水性材料と結合可能な溢流流れを形成する工程を含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記方法は前記第１下流流れ及び／又は前記第２下流流れを粒状汚染物質回収プロセスに送る工程を含むことを特徴とする。

第４の態様によれば、水性材料供給流から汚染物質を除去する装置が提供され、当該装置は、
粒状汚染物質を含んだ、１つ又はそれ以上の汚染物質を含む水性材料供給流を受け取り、前記水性材料供給流中の粒状汚染物質の濃度を低減して、前処理済水性材料流を形成するように構成されている第１ろ過モジュールと、
前記第１ろ過モジュールと流体的に連通し、前記前処理済水性材料流を受け取り、前記水性材料流から前記粒状汚染物質を実質的に除去して部分ろ過済水性材料流を形成するように構成されている第２ろ過モジュールと、
前記第２ろ過モジュールと流体的に連通し、前記部分ろ過済水性材料流を受け取るように構成されている第３ろ過モジュールと、を含み、
前記第３ろ過モジュールは、５０℃より高い作動温度に耐えることができる部分透過膜を含み、前記残留汚染物質の少なくとも一部を除去して前記水性材料供給流の回収部分を形成し、汚染物質の量を前記水性材料供給流の前記回収部分の再使用を可能とする量に低減するように構成されていることを特徴とする。

幾つかの実施例において、前記第１ろ過モジュールは、少なくとも１０μｍの直径を有する粒状汚染物質を除去するように構成されている少なくとも１つの分離器を含むことを特徴とする。少なくとも１つの分離器は、ハイドロサイクロンであってもよい。

幾つかの実施例において、前記第２ろ過モジュールは、０．５μｍより大きい粒径を有する粒状汚染物質を除去するように構成されている少なくとも１つの精密ろ過膜を含むことを特徴とする。前記少なくとも１つの精密ろ過膜は、約９０℃までの作動温度に耐えることができるように構成されてもよい。

幾つかの実施例において、前記部分透過膜は逆浸透膜であることを特徴とする。

第５の態様によれば、水性材料供給流から汚染物質を除去する装置が提供され、当該装置は、
１つ又はそれ以上の非粒状汚染物質を含む水性材料供給流を受け取るように構成されているろ過モジュールであって、５０℃より高い作動温度に耐えることができる部分透過膜を含み、前記非粒状汚染物質の少なくとも一部を除去して前記水性材料供給流の回収部分を形成し、汚染物質の量を前記水性材料供給流の前記回収部分の再使用を可能とする量に低減するように構成されている前記ろ過モジュールを含むことを特徴とする。

幾つかの実施例において、部分透過膜は逆浸透膜である。

本発明に係るプロセスの１つ又はそれ以上の形態は、以下に述べる１つ又はそれ以上の効果を奏する。

資本コストが少なくて済む。なぜなら、従来利用可能で、使用されていたプロセスの幾つかの段階を不要とすることができ、本明細書に係るプロセスを実施するために必要なプラントや設備を少なくすることができるからである。

作動コストを低減できる。なぜなら、本明細書のプロセスでは不要になった各段階において必要とされるエネルギー、典型的には、冷却段階で必要とされるエネルギーが、本発明に係るプロセスでは不要となるからである。さらに本明細書に係るプロセスでは、プラントや設備への微生物の付着を低減できる。

さらに、プラントや設備への付着又は閉塞、典型的には、プラントや設備内の小径の開口、隙間、孔、又は同等物に起因するプラントや設備の非稼働時間を減少することができる。

生物付着を除去するための化学洗浄の必要性を少なくすることによって、膜の寿命を長くすることができる。

最後に、本明細書に係るプロセスを用いて回収された廃水は、以下の理由によって、その価値を高めることができる。すなわち、熱エネルギーを回収し、反応路に熱エネルギーを戻し、設備の周りの用途、例えば、ボイラーへの熱エネルギーの供給、また、プラントや設備の閉塞や詰まり防止するために廃水流を冷却する必要がない。

プロセスの形態が、添付図を参照して、実施例を通して説明される。
本発明の実施例に係る、水性材料から非粒状汚染物質を除去する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る、水性材料から汚染物質を除去する装置を示す概略図である。 本発明の実施例に係る、水性材料から汚染物質を除去する装置を示す概略図である。 本発明の実施例に係る、水性材料から粒状及び非粒状の汚染物質を除去する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る、精密ろ過膜の概略斜視図である。 本発明の実施例に係る、精密ろ過膜モジュールの断面側面図である。 本発明の実施例に係る、水性材料から粒状及び非粒状の汚染物質を除去する装置を示す概略図である。 本発明の実施例に係る、水性材料から粒状汚染物質及び非粒状汚染物質を除去する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る、一群のハイドロサイクロン含む水性材料から粒状汚染物質を除去する装置を示す概略図である。

本発明は、汚染物質を除去して水性材料から再利用可能な回収部分を提供する水性材料の処理に関する。

例示する実施例において、当該方法は、化学的プロセス、好ましくは、ＰＶＣ製造プロセスから得られた廃水を再利用、回収、又は浄化するために用いられる。

廃水を処理することによって、化学的プロセスに用いられる粒子や化学物質などの汚染物質を除去して水の回収部分を形成し、汚染物質の量を水の回収部分の再使用を可能とする量に低減する。

当該実施例では、用語「汚染物質」は、粒状又は非粒状形態の全ての潜在的に好ましくない物質（物理的、化学的、生物学的）を含む概念として用いられる。

汚染物質は、制限的ではないが、ポリマー粒子やその他の型の粒子などの粒子、塩、表面活性剤、安定剤やその他の望ましくない化学物質などの化学的添加剤、ＰＶＣ重合反応における遊離塩素等の化学的プロセスにおいて生じる副産物、バクテリア等の微生物、また、水性材料の安全と品質に悪影響を与える生物学的又は化学物質を含む。

また、当該実施例で膜に関連して用いられる用語である「部分透過」や「半透過」は、互換的に用いることができる。

また、当該実施例で用いられる用語である「供給流」、「水性供給流」、「水性材料」及び「廃水」は、互換的に用いることができる。

１つの実施例において、本明細書は、重合プロセスから得られた廃水の水質を改善する方法に関する。当該方法は、排水の水質を改善する１つ又はそれ以上の処理工程を含み、この処理工程によって、処理済廃水を様々な方法で再使用することができる。

例えば、本発明に係る方法によって回収された水に含まれる残留汚染物質の量は、十分に少ないので、回収された水をさらなる重合反応に供給する水として再使用することができる。

本発明に係る方法は、例えば、塩化ポリビニル（ＰＶＣ）を形成するための重合反応において生じる廃水副産物の処理に、特に好適に用いることができる。重合プロセスにおいて生じる汚染物質又は望ましくない材料、特に「微小物質」としばしば称される小径の粒子は、廃水に残留するので、水性材料の再使用の前に除去する必要がある。

本発明に係る方法及び装置を特定の実施例を参照して説明するが、発明の保護の範囲は、記載されている実施例に限定されるものではなく、むしろ、より広範なものであり、他の形態、変形例、変容例、本発明に係るプロセスと同等なプロセス、プロセスが実施されるプラントや設備に及ぶ。また、本発明は、汚染物質やその他の望ましくない材料を分離したり除去するために用いられる設備も含む。さらに、本発明は、実施例で特定した材料と異なる範囲の材料に本発明に係る方法を適用することも含む。

本発明に係る方法の実施例において、重合プロセスから得られた廃水の処理によって再利用される水は、供給原水と同等の特性と特徴を有する必要があり、また、他の重合プロセスへの供給水としての再使用に適するように、供給原水と同等のレベルの成分を少なくとも有する必要がある。

本発明に係る水性材料から汚染物質を除去する方法の実施例を、図１を参照して以下に説明する。

明細書に記載の当該実施例において、１つ又はそれ以上の非粒状汚染物質を含む廃水のような水性供給流を用意する。供給流は、例えば、わずかな量の粒状汚染物質を含む化学的プロセスから得られた廃水である。幾つかの場合、供給流は、粒状汚染物質を除去するための前処理ろ過プロセスを経た後の廃水である。

当該方法では、１つ又はそれ以上の非粒状汚染物質の少なくとも一部を除去するために、水性材料をろ過して水性材料の回収部分を形成し、汚染物質の量を水性材料の回収部分の再使用を可能とする量に低減するろ過工程を含む。

上述した実施例において、回収水１２０を得るために、５０℃より高い温度で水性供給流５０に対して逆浸透１００を行う。

図示されていないが、幾つかの実施例において、５０℃より高い温度で水性供給流に対して追加的に逆浸透プロセスを行い、回収された水性材料中の望ましくない汚染物質の量をさらに低減し、回収された水の水質をさらに改善する。
５０℃より高い温度に耐えうる適切な部分透過膜を用いてもよい。

水性材料の回収部分は、化学的反応器、脱塩水プラント、その他の適切な用途及びプロセスにおいて供給される水として再使用できる。

幾つかの実施例において、当該方法は、逆浸透膜の使用を含む。
浸透時、溶媒が、低い溶質濃度の領域から高い溶質濃度の領域に、部分透過膜を通して移動する。
反対に、逆浸透時は、そのプロセスにおいて溶媒に半透過膜に通過させるために圧力をかけ、選択的に、溶媒から成分を除去する。

幾つかの実施例において、逆浸透膜は、酢酸セルロース膜、薄膜組成（ＴＦＣ）膜から形成される。酢酸セルロース膜は、処理される水中に存在する遊離塩素の通過を約２ｐｐｍまでのレベルで許容する。ＴＦＣ膜は、限外ろ過層として成形されるポリアミデアクティブ層を含み、ポリアミデアクティブ層は腐食層として成形される。
酢酸セルロース膜とＴＦＣ膜は、両方ともらせん状に巻かれた形状を有している。
逆浸透膜は、適切な又は望ましい形状を有し、異なった種類の材料から形成される。

大きな利点として、逆浸透膜は、非粒状汚染物質の除去に非常に効果的である。幾つかの浸透膜は、０．５μｍまでの微小粒子の存在を許容する。しかし、水性供給流中の大径固形粒子の存在は、膜の効率に悪影響を及ぼす。

したがって、水性供給流が粒状汚染物質を含む場合は、以下でさらに詳細に説明するように、複数のろ過プロセスが必要となる。

図２は、水性材料から汚染物質を除去する装置の模式的フローチャートであり、装置は、カスケード状に配置された複数の逆浸透膜モジュール１４０を含む。好ましくは、一群の膜モジュールは、給水タンク１６０と再利用水タンク１７０との間に配置される。

図２において、７つの膜１３０が２つのモジュールに配置されており、４つの膜１３０が一つ目のモジュール内に設けられ、３つの膜１３０が二つ目のモジュール内に設けられている。複数カスケード配置構造１５０によって、ＰＶＣ重合反応のような後続の反応において再使用される透過水又は水性材料の回収効率を高めることができる。
そのようなカスケード配置によって回収された水は、供給水の少なくとも９３％となる。

しかし、幾つかの実施例において、カスケード配置される膜は、単一構成要素としてもよく、その他の適切な構成、空間配置、順序、パスウエイ等で配置してもよい。

他の実施例において、膜の数は、その他の適切な数としてもよい。

好ましくは、膜は、約１ｍ（４０インチ）の長さを有し、約２インチ～１０インチの範囲の直径を有する。他の実施例において、膜は、約２．５インチ、４インチ、８インチの直径を有する。しかし、膜は、適切な長さ及び／又は直径を有することができる。

図２に背圧路１８０を示す。弁１８２によって制御された背圧路１８０は、供給圧を生み、水性供給流を膜内の孔に通過させる。逆浸透プロセスは、供給流中の汚染物質によって生じた浸透圧を抑制するために十分な圧力で行う必要がある。

図２に例示する実施例では、浸透圧は、約３００ｋｐａである。カスケードの第１段の浸透圧は約７０ｋＰａしかないので、第１段及び第２段で透過率が高くなりすぎるのを防止するためには、供給流に背圧をかける必要がある。

図７は、精密ろ過供給タンク２６０から粒状及び非粒状の汚染物質を除去する装置を例示する。精密ろ過供給タンク２６０からの流れは、浄化水タンク２７０内に貯留される前に、逆浸透膜モジュール２３０を通過する。各種ポンプ２８０，２８２，２８４が、装置を通して流れる流体を制御する。

図２において、７つの膜１３０が２つのモジュール内に配置されており、４つの膜１３０が一つ目のモジュール内に設けられ、３つの膜１３０が二つ目のモジュール内に設けられている。複数カスケード配置構造１５０によって、ＰＶＣ重合反応のような後続の反応において再使用される透過水又は水性材料の回収効率を高めることができる。

図３は、本発明に係る逆浸透膜モジュールデザインの他の例を示す概略図である。この逆浸透膜モジュールのデザインは、ブリードオフ１９５を含む内部再循環システム１９０を有し、全ての回収プロセスを制御する。

膜モジュール１４０と膜の通路長さの組み合わせは、膜モジュールの各膜を流れる供給流を最適化するために、各膜内の供給流５０の流れに基づいて決定される。

従来の逆浸透膜は、温度の上昇に対して敏感な材料を含んでいる。
典型的には、従来の逆浸透膜は、約４５℃より高い温度での作動は制限されていた。一方、供給流の温度は通常約５０℃以上である。

例えば、水の応用に設計されている従来の幾つかの逆浸透膜は、プラスチック又はゴムを含む構成要素を有するブラインシールなどのシール装置を含む。そのようなシール装置は、ハウジングに対して膜の外部をシールすることによって、膜の周囲を供給水がすり抜けるのを防止する。シール装置は、供給流が膜の周囲を流れるのを防止することによって、供給流が供給スペーサーや水を抽出できる流路内を流れるようにすることができる。しかし、シール装置は、上昇した温度に耐えることができない。

したがって、従来の逆浸透プロセスでは、供給流に対して逆浸透ろ過工程を行う前に、供給流を４５℃より低い温度に下げなければならない。この工程は、非常に不便でエネルギー的に非効率な工程である。特に、複数工程ろ過プロセスが必要とされる場合に、そのことがいえる。

反対に、本発明に係る改良型の逆浸透膜は、５０℃より高い温度に耐えることができる。

例えば、以下でさらに詳細に説明される実施例において、逆浸透工程の前に水性材料に対して精密ろ過を行うことによって、水性材料から粒状汚染物質を実質的に除去することができる。

精密ろ過工程を、一般に、５０℃～９０℃間の温度で行うことによって、水中の非粒状汚染物質の溶解性を促進でき、粒状汚染物質の凝集を避けることができる。

例えば、ポリビニル重合プロセスから得られる廃水は、一般的に、ＰＶＣ粒子に付着するＰＶＡを含む。
ＰＶＡは、粒子同士を結合するバインダーとして作用し、粒子間の架橋を増加する。
しかし、水中におけるＰＶＡの溶解性は、水の温度と共に増加する。
したがって、精密ろ過工程を、約５０℃～約９０℃の範囲における温度で行うことが望ましい。

さらに、温度を高くすることは、廃水中に含まれる表面活性剤や他の化学的汚染物質によって生じる生物付着やバクテリアの成長を低減できる。このことは、特にポリビニル重合等の化学的プロセスから得られる場合にいえる。

逆浸透処理を行う前に水の冷却を行うことは、同様に望ましくない。なぜなら、水が保有する熱の損失を招き、逆浸透ろ過工程に適切な温度まで水を冷却するために必要な追加エネルギーと時間を必要とするからである。

大きな利点として、本発明の実施例に係る逆浸透膜は、従来のシール装置を含まず、上昇した温度に耐えうる材料から形成される。

本発明の実施例は、ブリードオフを有する内部再循環システム、典型的にはブリードオフ弁の形態、を用いて、再利用される水の全体的回収を制御する。

さらに大きな利点として、上述した逆浸透法を用いて回収された水は、高温の供給水が必要とされる後続の化学的プロセスにおいて、効率的に再使用することができる。

以上説明してきたように、本発明に係る、水性材料から汚染物質を除去する方法の実施例は、望ましくない粒状及び非粒状の汚染物質を供給流から分離、又はろ過する、１つ又はそれ以上の工程を含む。分離工程の形態は、以下に説明する２以上の個々の分離工程を含む複数段プロセスを含む。

図４に模式的に示される一つの実施例において、当該方法は、水性供給流５０に対して第１のろ過工程（精密ろ過）２００を行い、水性材料流から粒状汚染物質を実質的に除去して部分ろ過済水性材料２２０を形成する。また、第１ろ過工程は、供給流５０から除去されたろ過済粒状汚染物質を高濃度で含む残留流２２２を形成する。

次に、部分ろ過済水性材料２２０に対して第２ろ過工程（逆浸透）１００が行われ、部分ろ過済水性材料から残留汚染物質の少なくとも一部が除去され、水性材料１２０の回収部分が形成される。回収部分における汚染物質の量は、水性材料の回収部分が再使用できる量に低減されている。上述したように、逆浸透工程１００は、５０℃より高い温度で行われる。

本発明に係る方法の幾つかの形態において、交差流速度は、約０．１ｍ／ｓ～約５ｍ／ｓの範囲であり、典型的には、約０．５ｍ／ｓ～約１ｍ／ｓの範囲である。

幾つかの実施例において、精密ろ過工程は、０．５μｍより大きい粒径を有する粒状汚染物質を除去し、逆浸透ろ過工程によって、さらに処理するのに適した部分ろ過済水性材料を形成する。

幾つかの実施例において、粒状汚染物質の濃度が増加した残留水性流２２２に対して乾燥工程４００が行われ、ＰＶＣ粒子等の選択された粒状汚染物質２２４が回収される。図４の右側及び図８の底部右側に、このプロセスが模式的に示されている。

水性材料が１０μｍより大きい粒状汚染物質を含む実施例において、精密ろ過工程に先立って、分離／前処理工程が行われ、水性供給流の粒状汚染物質の濃度を低減する。分離／前処理工程の詳細は、図８を参照して後述する。

幾つかの実施例において、精密ろ過工程２００は、水性材料を０．０５μｍ～１μｍの範囲の孔径を有する１つ又はそれ以上の精密ろ過膜に通過させる工程を含む。他の実施例において、精密ろ過膜の孔径を約０．２μｍ～０．４μｍの範囲に設定する。

さらに他の実施例において、精密ろ過膜は、特定の寸法範囲を有する粒状汚染物質を除去するのに適した孔径を有する。

幾つかの実施例において、精密ろ過膜とそのハウジングは、約８５℃までの作動温度に耐えることができる。さらに、精密ろ過膜は、処理される水性材料中での遊離塩素の存在を許容する。例えば、精密ろ過膜は、水性材料中での遊離塩素の存在を、約１ｐｐｍまでの濃度で許容する。

幾つかの実施例において、精密ろ過膜の選択は、上昇した温度でほぼ連続的に作動する際の、例えば約５０℃～約９０℃の範囲の温度でほぼ連続的に作動する際の、精密ろ過膜の適性によって決定される。

さらに、約８０～約８５℃の上昇した温度でほぼ連続的作動に特に適した精密ろ過膜を選択することによって、水の処理及び／又は回収プロセスの効率を高めることができる。

精密ろ過膜は、適切な又は容易に入手できる材料から形成することができるが、そのような膜の形成に適したポリマーとしては、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリスルフォン（ＰＳ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰｖＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、セラミックを成分とする又はセラミックを含む選択された無機膜材料、焼結ステンレス鋼、又はそのような材料を１つ又はそれ以上含む組み合わせから形成することもできる。

適切な精密ろ過膜は、膜の孔構造の形態に基づいて、多くの形態とすることができる。
膜の好ましい形態は、寸法決定孔を膜の供給側に有し、寸法決定孔より大きい孔を寸法決定孔の背部に有する非対称の膜である。これらの膜は、膜全体にわたって圧力損失が少なく、外側寸法決定層を通過する全ての固形粒子は、永久的に滞留することなく膜を通過し続ける。

他の膜は、膜構造の全体にわたって孔が定常的に設けられている均質膜や、孔の寸法がスポンジ状構造を通過する最も狭い通路によって決定される亀形通路膜を含む。

精密ろ過膜の実施例は改質剤を含む。典型的な改質剤としては、膜を実質的な疎水性から実質的な親水性に変える改質剤や、膜に水を通過させる通路を設ける改質剤がある。精密ろ過膜の特性や特徴を改質する適切なポリマーは、ポリビニルポロリドン（ＰＶＰＰ）を含む。

基礎精密ろ過膜の特徴や特性を変えるための基礎精密ろ過膜の改質は、適切な又は容易に入手できる材料を用いて適切で都合の良いときに行うことができる。精密ろ過膜の形成に際しては、膜の形成前に改質材料又は改質剤を膜ポリマーに混合し、その後、改質剤を膜から除去して膜孔を形成する。そのような改質剤の追加と除去によって、膜に設けた孔の表面に残留塗膜が残り、膜の界面化学の改質によって表面を親水性とし、水が膜を通ることで不要な材料を除去する。

さらに、精密ろ過膜のハウジングを製造するための材料としては、適切な又は容易に入手できる材料を用いることができる。ハウジングを作成する材料の例として、塩化ＰＶＣ（ＰＶＣ参照）、ＰＥＳ、ステンレス鋼を用いることができる。

本発明の実施例に係る精密ろ過膜の一例が図５に示されている。

精密ろ過膜２３０の幾つかの形態は、管状又は中空状の繊維膜である。幾つかの実施例において、典型的な管状又は中空状の繊維膜は、中央ルーメン２３４を有している。幾つかの実施例において、管状中空繊維膜は、膜の中央ルーメンに向かう供給流を有する。

幾つかの実施例において、流体が膜の全面積を流れるようにして、懸濁粒子、典型的には、膜内に固形粒子の蓄積を生じさせ、膜を閉塞する又は膜が汚染物質を除去する効率を低下させるＰＶＣ微粒子、の沈着又は遅い流れを防止する。

幾つかの実施例において、図６に模式的に示すように、膜２３２は膜モジュール２４０内に配置されている。

上述した実施例において、膜モジュールは、管状又は中空の繊維状膜の束を組み合わせて構成される。

しかし、膜モジュールは、容易に入手できる又は適切な形態、型、外観、配置又はそれらの同等の形態、型、外観、配置を有することができる。さらに、膜モジュールを構成する個々の繊維膜の数は、任意に設定することができる。例えば、各膜モジュールにおける個々の繊維膜の数は、約１～１０，０００とすることができ、各膜モジュールの膜表面積は、約０．１ｍ^２～１００ｍ^２の間の値とすることができる。

膜モジュールは、適切な又は所望の寸法を有する。幾つかの実施例において、膜モジュールは、約１ｍ～２ｍの長さを有し、約２５ｍｍ～３００ｍｍの範囲内の直径を有する。
典型的には、膜繊維又は膜管の内径は、約０．７ｍｍ～２５ｍｍの範囲内である。

幾つかの実施例において、精密ろ過プロセスは圧力下で作動し、被加圧システムの一部をなす。

以上説明した実施例において、精密ろ過プロセスは、往復動ポンプ又は分離圧ポンプによって圧力下で作動する。

幾つかの実施例において、駆動圧は、約０，２バール～３バールの範囲である。幾つかの実施例において、駆動圧力は、約０，４バール～１．５バールの範囲である。

貫流（流量）膜は、膜の表面積に対して測定される。幾つかの実施例において、そのような貫流は、一時間当たりのメートル二乗値で約１０Ｌ～２００Ｌである。幾つかの実施例において、そのような貫流は、一時間当たりのメートル二乗値で約４０Ｌ～８０Ｌである。

上述したように、水性材料が大径の粒状汚染物質を含む場合、複数ろ過プロセスの最初の工程で、水性材料中の粒状汚染物質の量を低減する。

本発明の実施例に係る三段プロセスの全体構成が、図８に模式的に示されている。以下、上記方法を要約して説明する。

当該実施例によると、広い意味において、回収しようとしている水性材料は、粒状汚染物質を含む１つ又はそれ以上の汚染物質を含む。水性材料を用意する。水性材料は、例えば、ＰＶＣ重合反応のような化学的プロセスから得られた廃水である。

第１方法工程では、水性材料に対して前処理工程を行い、水性材料中の粒状汚染物質の濃度を低減して、前処理済水性材料を形成する。

第２方法工程では、前処理済水性材料に対して第１ろ過工程を行い、水性材料から粒状汚染物質を実質的に除去し、部分ろ過済水性材料を形成する。

第３方法工程では、部分ろ過済水性材料に対して第２ろ過工程を行い、部分ろ過済水性材料から残留する汚染物質の少なくとも一部を除去して、水性材料の回収部分を形成し、汚染物質の量を水性材料の回収部分の再使用を可能とする量に低減する。第２ろ過工程は、水性材料を５０℃より高い温度で部分透過膜に通過させる工程を含む。

幾つかの実施例において、第１ろ過工程は、前処理によって大きな粒子が除去されている水性材料に対して精密ろ過を行う工程を含む。幾つかの実施例において、第２ろ過工程は、部分的ろ過によって粒状汚染物質を除去されている水性材料に対して逆浸透を行う工程を含む。

上述したように、大きな粒状汚染物質を含む水性材料は精密ろ過には適しない。
１０μｍより大きい粒子は、決められたろ過速度を低下し、膜に設けた孔を閉塞する傾向がある。
特に、ＰＶＣ微粒子をろ過することは困難であると知られている。ＰＶＣ微粒子は、凝集して、ＰＶＣ粒子の寸法より大きなフィルター開口や孔を閉塞する傾向にあるからである。例えば、約１０μｍ～約５０μｍの範囲に寸法を有するＰＶＣ粒子は、２００μｍの開口を有する仕切りを閉塞することができる。

図８を参照して説明すると、上述した実施例によれば、水性供給流５０に対して遠心分離１００を行うことによって、水性供給流中の粒状汚染物質の数を低減することができる。水性供給流の遠心分離は、少なくとも１０μｍ以上の直径を有する粒状汚染物質を除去するための前処理であり、精密ろ過を行うのに適した水性供給流を形成することができる。

特に、水性供給流をハイドロサイクロンに送ることによって、溢流流れ３２０と下流流れ３２２を形成することができ、溢流流れは、下流流れと比べて、粒状汚染物質の濃度を低減することができる。

下流流れは、図８の上部右側に示されているように、粒状汚染物質回収プロセスに送られる。回収プロセスは下流流れを乾燥する工程４００を含み、ＰＶＣ粒子３２４のような選択された粒状汚染物質を回収する。この工程は任意的工程であり、選択された粒状汚染物質を回収する要望がある場合のみに行われることに留意すべきである。

下流流れは任意的に（図示せず）第２ハイドロサイクロンに送られ、水性材料と結合する溢流流れを形成する。幾つかの実施例において、このプロセスによる回収率は、第２ハイドロサイクロンに導入される水の量に基づいて、約８０％～約９０％の範囲である。

溢流流れ３２０は、図４に示す方法にしたがって処理される。

本プロセスの幾つかの形態において、ハイドロサイクロンの溢流流れに回収される水の量は、ハイドロサイクロンに導入される流入水の量の約８５％～約９５％の範囲であり、ハイドロサイクロンの下流流れに回収される水の量は、ハイドロサイクロンのセンターコアに対して接線方向に沿って導入される水の量の約５％～約１５％の範囲である。

本プロセスの幾つかの形態において、典型的にハイドロサイクロンは、ほぼ１０μｍの直径を有し、１．４の比重を有する懸濁固形物質を約９５％まで除去できる。ここで、上記値は、ＰＶＣ重合によって生成される小径粒子の典型的な特徴であり、ＰＶＣ微粒子の通常範囲である。

本プロセスの幾つかの形態において、第２ハイドロサイクロンからの溢流水は、装置の供給タンクに送られ、再処理されたり、例えば、浄化水タンクなどの貯留設備に送られる。

本発明に係るプロセスの幾つかの形態において、２段階のハイドロサイクロンプロセスを用いた水の回収率は、約９５％より大きく、典型的には、約９７．５％である。

ハイドロサイクロンによる浄化の目的は、精密ろ過膜を用いた精密ろ過のような追加的ろ過工程を含めた、後続の処理工程によって処理される水の水質をさらに改善して、後続の工程である重合プロセスでその水を再使用できるレベルに懸濁固形物質の量を低減することにある。

本発明に係る上述した方法は、異なるろ過工程にそれぞれ用いるろ過モジュールを含む装置内で行われる。後続のろ過工程で用いられる複数のモジュールは、流体的に連通している。

第１ろ過モジュールは、粒状汚染物質を含んだ、１つ又はそれ以上の汚染物質を含む水性材料供給流を受け取るように構成され、その水性材料流中の粒状汚染物質の濃度を低減して、前処理済水性材料流を形成する。

幾つかの実施例において、第１ろ過モジュールは、少なくとも１０μｍの直径を有する粒状汚染物質を除去するように構成されている、少なくとも一以上のハイドロサイクロンを含む。

本発明の実施例に係るハイドロサイクロンを用いた装置の模式的構成を図９に示す。
装置は複数のハイドロサイクロン３４０を含み、これらのハイドロサイクロン３４０は、供給タンク３６０と浄化水回収タンク３７０との間に配設されている。

上述した実施例において、設備は、６個のハイドロサイクロンを含む。しかし、他の実施例では、設備は、適切な数のハイドロサイクロンを含む。

例示的な実施例において、ハイドロサイクロンは、それぞれ、約２０ｍｍ～約１００ｍｍの直径、又は、約４０ｍｍ～約５０ｍｍの直径を有する。
ハイドロサイクロンは、約１ｍ^３／時～約１０ｍ^３／時の流量、好ましくは、約２ｍ^３／時～約５ｍ^３／時の流量を処理できる寸法を有する。

ハイドロサイクロンの作動条件としては、約１０００Ｇまで生成できることが必要となる。
作業中、水が、ポンプを用いて、ハイドロサイクロンに、約２００ｋＰＡ～約５００ｋＰＡ、典型的には、約３００ｋＰＡ～約３５０ｋＰＡの圧力で圧送される。

第１ろ過モジュールと流体的に連通する第２ろ過モジュールは、前処理済水性材料流を受け取り、水性材料流から粒状汚染物質を実質的に除去して部分ろ過済水性材料流を形成するように構成されている。

例示する実施例において、第２ろ過モジュールは、０．５μｍより大きい粒径を有する粒状汚染物質を除去するように構成されている少なくとも１以上の精密ろ過膜を含む。

第２ろ過モジュールと流体的に連通する第３ろ過モジュールは、部分ろ過済水性材料流を受け取るように構成されている。第３ろ過モジュールは、５０℃より高い作動温度に耐えることができる部分透過膜を含み、残留汚染物質の少なくとも一部を除去して水性材料供給流の回収部分を形成し、汚染物質の量が、水性材料供給流の回収部分の再使用を可能とする量に低減するように構成されている。
第３第ろ過モジュールは、１つ又はそれ以上の非粒状汚染物質を含む水性材料供給流から汚染物質を除去するために、独立して用いられる。

水性材料から汚染物質を除去する方法及び装置の幾つかの形態において、重合反応用の供給流は、上述した重合反応から得た再利用水を有する。典型的には、装置は、膜モジュールを内蔵する膜スキッドパイプ構造を有する。幾つかの形態において、供給流は、膜スキッドパイプ構造内で、再使用ポンプを用いて、再循環される。より典型的には、再循環ポンプによって、膜モジュールの長さに沿って交差流速度を維持する流れを生じ、この流れによって、固形粒子が固まるのを防止でき、粒子が膜面に付着するのを確実に制限し、それによって、膜モジュールの効率的な連続作動を促進することができる。

プロセスが実行される設備の幾つかの形態は、膜と膜モジュールを逆洗するための逆洗ポンプを含む。逆洗ポンプは、膜の孔に堆積した望ましくない材料を除去することによって、膜と膜モジュールとを効果的な作動状態に維持するのを助長することができる。

幾つかの形態において、精密ろ過膜とモジュールの逆洗は、交差流を伴わない逆洗、前方向又は後方向への交差流を伴う逆洗、及び、前方向又は後方向への逆洗流を伴う又は伴わない洗浄、とを有する複数プロセスである。

本明細書において先行技術に関する刊行物について言及がある場合は、そのような言及は、オーストラリア又は他の国において、刊行物が一般的知識であることを認めるものではない。

以下に記載する特許請求の範囲及び前述した発明の詳細な説明は、記載内容が明確な用語や必要な含意を必要としている場合を除いて、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及びその変容例である用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」や用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は非排他的に用いられ、記述した特徴の存在を特記するが、本発明の各種実施例のさらなる特徴の存在や追加を制限するものではない点に、留意すべきである。

Claims (6)

1. 重合プロセスから得られた水性材料供給流から汚染物質を除去する方法であって、
   粒状及び非粒状の汚染物質を含む１つ又はそれ以上の汚染物質を含む、重合プロセスからの水性材料供給流を用意する工程と、
   前記水性材料供給流を第１ハイドロサイクロンにおいて遠心分離して、第１溢流流れと第１下流流れとを形成し、前記第１溢流流れは、前記第１下流流れと比べて粒状汚染物質の濃度を低減する工程と、
   前記第１下流流れを第２ハイドロサイクロンに送り、前記水性材料供給流と結合可能な第２溢流流れを形成する工程と、
   少なくとも前記第１溢流流れに対して精密ろ過工程を行い、０．５μｍより大きい粒子サイズを有する粒状汚染物質を実質的に除去して部分ろ過済水性材料流を形成する工程と、
   他の重合プロセスに再利用するため、５０℃より高い温度で前記部分ろ過済水性材料流に対して逆浸透を行い、前記非粒状汚染物質の少なくとも一部を除去して汚染物質の濃度が低減した回収水性流を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
2. 前記水性材料供給流を遠心分離する工程は、少なくとも１０μｍの直径を有する粒状汚染物質を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 約７０℃～約９０℃の範囲の温度で前記第１溢流流れに対して前記精密ろ過工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 水性材料供給流から汚染物質を除去する装置であって、
   粒状及び非粒状汚染物質を含んだ、１つ又はそれ以上の汚染物質を含む水性材料供給流を受け取るよう構成された、少なくとも２つのハイドロサイクロンを含む第１ろ過モジュールであって、第１ハイドロサイクロンは前記水性材料供給流を遠心分離して、第１溢流流れと第１下流流れとを形成し、前記第１溢流流れは、前記第１下流流れと比べて粒状汚染物質の濃度を低減されており、第２ハイドロサイクロンは、前記第１下流流れを遠心分離して前記水性材料供給流と結合可能な第２溢流流れを形成する、第１ろ過モジュールと、
   前記第１ろ過モジュールと流体的に連通し、少なくとも前記第１溢流流れを受け取るように構成され、０．５μｍより大きい粒子サイズを有する粒状汚染物質を実質的に除去して部分ろ過済水性材料流を形成するように構成されている少なくとも一つの精密ろ過膜を有する第２ろ過モジュールと、
   前記第２ろ過モジュールと流体的に連通し、前記部分ろ過済水性材料流を受け取るように構成されている第３ろ過モジュールと、を含み、
   前記第３ろ過モジュールは、５０℃より高い動作温度に耐えることができる逆浸透膜を含み、前記部分ろ過済水性材料流における残留汚染物質の少なくとも一部を除去して前記水性材料供給流の回収部分を形成し、汚染物質の量を前記水性材料供給流の前記回収部分の再使用を可能とする量に低減するように構成されていることを特徴とする装置。
5. 前記第１ろ過モジュールの少なくとも１つのハイドロサイクロンは、少なくとも１０μｍの直径を有する粒状汚染物質を除去するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの精密ろ過膜は、約９０℃までの動作温度に耐えることができるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。