水の浄化: 携帯用浄水のための限外濾過

米陸軍は、軍事作戦中に新世代の浄水技術、つまり携帯用浄水ユニット用の限外濾過前処理を導入しました。 この記事では、このテクノロジーとその仕組みについて説明します。

アメリカ陸軍は、最先端の膜浄水技術を活用して、機動性の高い軍事作戦や人道的任務を支援しています。 テキサス州シュガーランドの Mechanical Equipment Company Inc. (MECO) は、濁度の高い表面を含むほぼすべての入手可能な原水から安全な飲料水を製造するために、遠隔地に簡単に輸送できる軽量浄水器 (LWP) を設計しました。水、汽水、海水。 さらに、LWP は核、生物、化学兵器で汚染された水を浄化することもできます。

新しい LWP は兵士 4 人で運べるほど軽く、オペレーター 2 人でも簡単に組み立てられ、川、湖、池、海などの水源からわずか 45 分で水を生成し始めることができます。 システム全体は、HMMWV の貨物スペースで輸送することができ、また、UH-60 ブラック ホークなどの中型多用途ヘリコプターや突撃ヘリコプターの 1 機の運搬によっても輸送できます。 これまで、淡水化システムは従来の海水塩分濃度 35,000 ppm に合わせて設計されていましたが、中東では塩分濃度がはるかに高くなっています。 アラビア湾では45,000ppm、砂漠の「水場」では60,000ppmに達することもあります。 MECO は各 LWP を特別にテストして、この 60,000 ppm 要件を満たしていることを確認し、システムが世界中のどこにいてもあらゆる水を処理できるようにします。

コンパクトな LWP ユニットは、淡水または汽水から 125 ガロン/時 (gph)、海水から 75 gph を生産します。これは、現場で中隊/大隊規模のユニットをサポートするのに十分な生産レベルです。 LWP ユニットが現場で維持できる正確な人数は、水消費シナリオに比例します。 たとえば、ユニットが飲料水のみに使用される場合、調理、掃除、シャワー、洗濯などの一般的な目的に使用される場合よりも、より多くの兵士をサポートすることができます。

ポータブル水処理装置の進化

MECO が 60 年以上前に米軍向けの可搬型水処理システムの設計と製造を開始して以来、水ろ過技術は大幅に進化しました。 実際、海兵隊が硫黄島侵攻で使用したオリジナルの熱脱塩システムには、MECO の特許取得済みの蒸気圧縮技術が採用されていました。

新しい LWP は、2 種類の膜ろ過を組み合わせています。限外ろ過 (UF) 膜は、逆浸透 (RO) 膜による処理の前に水を前処理します。 この設計は、RO 給水をマルチメディア フィルター (MMF) と使い捨てカートリッジ フィルターで前処理する陸軍の前世代の携帯用水処理装置に代わるものです。

MMF とカートリッジ フィルターにはいくつかの問題がありました。 基本的に、それらは約 1 ～ 5 ミクロンの浮遊固体しか除去できず、一部の粒子の突破を許し、RO 膜の急速な汚れの原因となります。

もう 1 つの問題は、カートリッジ フィルターを頻繁に交換する必要があり、場合によっては 30 分ごとに交換する必要があることでした。 この問題は、フィルターの交換に伴う労力だけではありませんでした。 さらに重要なことは、遠隔地や戦闘状況下では、消耗品の継続的な再供給が物流上の課題となる可能性があり、非常に危険であるということです。

RO 給水の UF 前処理

新しい LWP の UF 膜プロセスにより、使い捨てフィルターの交換や再供給の必要がなくなります。 各システムは、米国マサチューセッツ州ウィルミントンの Koch Membrane Systems, Inc. (KMS) の 3 つの ROMICON® ROMIPURE® 限外濾過カートリッジを採用しています。

直径 5 インチのカートリッジには、内径 35 ミルの中空糸膜が含まれています。 メンブレンとカートリッジハウジングは両方とも、幅広い温度下で優れた化学的安定性があることで知られる高強度ポリマー熱可塑性プラスチックであるポリスルホンで構成されています。

ROMIPURE UF メンブレンは 100,000 ダルトンの公称分子量カットオフ (MWCO) を持ち、濁度 0.1 NTU 未満の濾水を一貫して生成します。これは、MMF およびカートリッジ フィルターと比較して 10 倍以上の改善です。 UF 膜は、下流の RO 膜を汚す可能性のある供給水から濁り、懸濁物質、細菌、その他の微生物を除去します。 より高品質の濾過水は、供給水の条件に関係なく、RO 膜の寿命を延ばし、RO 洗浄の間隔を延長します。

UF 前処理は RO 膜の汚れを制限するだけでなく、ROMIPURE カートリッジにはカートリッジ自体の汚れを制限し、これに対抗する重要な機能も備えています。 中空糸カートリッジは、濾過中に内側から外側に向かって動作します (図 1 を参照)。 供給水 (保持水) は中空糸の中心を通って流れ、濾過水 (透過水) は繊維壁を通過して膜繊維の外側へ流れます。 保持液の接線方向の流れは膜表面を横切り、膜の汚れを制限するように継続的に作用します。

さらに、ROMIPURE 中空糸カートリッジの構造的完全性と構造により、透過水の逆流や保持液の流れの逆転に耐えることができます。 これらの洗浄プロセスは、磁束速度を回復するのに非常に効果的です。

ROMIPURE 中空糸の形状により、コンパクトなモジュールで大きな膜表面積が得られます。 この高い充填密度は、最小限のスペースと電力を利用しながら大量の水をろ過できることを意味し、どちらも LWP 用途にとって重要な利点です。

ディーゼル エンジンで駆動される高圧ポンプは、UF モジュールの 40 ガロンの濾液タンクから水を汲み上げ、最大 1,200 psi の圧力で RO モジュールに水を供給します。 この濾液タンクの目的は、高圧ポンプの継続的な動作を可能にしながら、UF 膜の逆洗および高速フラッシュ機能を提供することです。

ROは純水を生成します

RO モジュールは、KMS 製の 7 つの FLUID SYSTEMS® TFC® スパイラル RO エレメントで構成されています。 膜エレメントは、効率を高めてコストを削減するように設計された独自の薄膜複合ポリアミドを特徴としています。 圧力容器はチタンで作られています。

ゼネラル・アトミックス (GA) は、1968 年にスパイラル型逆浸透エレメントを開発し、特許を取得しました。GA は 1974 年に流体システム部門を売却し、最終的に KMS の一部となりました。 KMS は、RO 海水淡水化エレメントの世界的大手サプライヤーであり続け、紅海、アラビア湾、カリブ海、地中海、そして世界中のあらゆる海に大規模な設備を設置しています。 コンパクト流体システム TFC RO エレメントは、船舶や掘削リグでも広く使用されています。

KMS RO 膜は、有機物や塩を含む溶解および懸濁物質を除去します。 5 オングストローム (0.0005 ミクロン) または 100 MWCO の範囲の分子のみが膜を通過します。 RO 給水の約 30% は飲料水として使用するために回収され、残りの濃縮液 (またはブライン) は廃棄物として排出されます。 RO モジュールからの透過水は化学モジュールを通過し、そこで計量され、残留消毒のために塩素が注入されます。

化学洗浄を必要としない信頼性の高い濾過

現場配備に先立って、MECO と KMS は 7 つのプロトタイプ システムを構築し、米陸軍による厳格かつ徹底的なテストを実施しました。これには、HMMWV の後部での 5,000 時間の稼働時間と 1,600 マイルの国境横断輸送テストが含まれます。 設計とテストのプロセスにより、システムの重要な改良と改善が行われました。 たとえば、MECO は KMS と協力して、ほとんどの浄水システムの環境要件をはるかに超える条件である凍結融解サイクルを数回維持できるシステムの設計という課題に取り組みました。

「KMS 膜は汚れに対して著しく耐性があります」と MECO 政府事業開発マネージャーのジョン・クリー氏は述べています。 「私たちは KMS エンジニアと緊密に協力して、化学洗浄作業の必要性を実質的に排除した自動バックフラッシュ方法を開発および最適化しました。調査およびテストしたさまざまなベンダーの中で、補助空気の使用を必要としない唯一のソリューションを提供したのは KMS でした。膜を洗浄するための研磨装置。」

プロセスが簡素化されることに加えて、化学薬品の使用量が減り、よりおいしい水が得られます。 「LWPが生産する水はとてもおいしいです」とクリエ氏は語った。 「古い従来型システムの課題は、過剰な塩素処理であり、最終的には水に『プールのような味』を与えてしまうことであることが分かりました。LWP の自動塩素注入システムは、このような事態の発生を防ぎ、したがって非常によく似た飲料水の味を生み出します」市販のボトル入り飲料水に。」

経済的なソリューション

LWP は、軍隊にボトル入り水を供給するコストが 1 ガロンあたり 5 ドルもかかるイラクにおいて、非常に経済的な解決策であることが証明されています。 従来の第一世代の浄化システムで生成される水のコストは、使い捨てフィルター、化学物質、燃料のコストを含めて 1 ガロンあたり約 1 ドルです。 LWP は 1 ガロンあたり 7 セントで水を生成できます。これは主に、システムを動作させるためのディーゼル燃料と、最小限の定期的な洗浄に必要な化学薬品のコストです。

KMS の UF および RO 膜を備えた MECO LWP は、特殊部隊やその他の遠隔地での軍事および人道的任務に自立型の水浄化方法を提供し、困難で高価で危険な水の補給の必要性を排除します。

接触：

John McArdle、Koch Membrane Systems ビジネス開発ディレクター 電話: 1-978-694-7000 ファックス: +1-978-657-5208 電子メール: [email protected]