2019 Fiscal Year Research-status Report
光ファイバセンサを用いたろ過膜の完全性を常時監視可能な新規手法の開発研究
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19K04662
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
橋本 崇史 東京大学, 先端科学技術研究センター, 講師 (80735712)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光ファイバセンサ / 中空糸ろ過膜 / FBGセンサ / 膜破断検知 / 短絡流量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は、PVDF製中空糸膜により構成される模擬膜モジュールのハウジング内部の10箇所に、光ファイバを利用したFBG型圧力センサを取り付け，ろ過運転中の膜ハウジング内部の圧力分布の変化を測定することにより，膜の破断を検知する実験的手法およびデータ解析手法を確立し、検証した。
模擬膜モジュール内の原水流入側および流出側において中空糸膜をそれぞれ、0，1，2，5，10本と本数を変化させて破断していき、各条件において定流量での膜ろ過を実施し、膜モジュール内の圧力を測定した。その結果、隣り合うFBG型圧力センサの差分を捉えることで、破断本数が１本の条件から膜破断部位近傍の圧力変化を捉えることが可能であることが示された。また、流入側、流出側いずれの破断箇所の場合において、モジュール内の流出端側に圧力低下が起きていることが本研究により示された。
また、FBG型圧力センサに代わり、光ファイバセンサを利用した光干渉計をモジュール内に導入することで、膜破断によるモジュール内の水流の変化を微弱な振動として捉えることを試みた。その結果、膜破断による破断部位近傍の水流の変化は非常に小さく、また周辺環境に起因する振動の影響もあり、破断に起因する振動を捉えることはできず、破断検知はできなかった。
破断した膜において、破断面から中空糸膜内部に流れ込む短絡流量と、膜表面から中空糸膜内部に浸透する透過水量の関係を実験的に調べたところ、従来無視できると考えられてきたに破断膜での透過水量は無視することは適切ではなく、これまで短絡流量が過大に見積もられてきたことが明らかになった。短絡流量をより正確に推定することにより、透過水中への病原微生物等の流出量をより正確に算定することが可能となることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２０１９年度は、光ファイバセンサを用いた中空糸膜モジュール内の流動モニタリング手法および中空糸膜の劣化進行及び損傷の新規検知方法の開発を目指し、光ファイバセンサ型の圧力センサを，小型の模擬膜モジュールに導入し，膜破断により誘導される圧力分布の変化を検知することでモジュール内の流動の変化を捉え，膜破断を検知する手法を実験的に確立することを目的としてきており、概ね当初の計画の通り以下の成果を得た。
光ファイバセンサを用いた膜破断検知のための実験的手法の確立、およびデータ解析手法の確立が為され、１本の中空糸膜の破断に起因するモジュール内の圧力変化を捉えることができ、また破断位置の特定が可能であることが示された。
また膜破断に伴って生じる、膜破断面からの短絡流量と破断膜面からの透過流量について、実験的に解析し、その定量的関係を示し、モジュール内の流体解析に必要なデータ、知見が得られている。
以上のことから、概ね順調に進んでいると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０１９年度に得られた結果を受け、光ファイバセンサを用いた膜破断検知手法の開発を目指し、１）膜モジュール内の流れの膜破断による変化をより正確に捉えていくため、FBG型圧力センサよりも感度が高い、新規に開発された微小電気機械システム（MEMS）を応用した光ファイバセンサ型圧力計を用いて、膜モジュール内の圧力分布、変化を実験的に捉えていく。またその実験データを利用し、破断膜の短絡流量と透過流量を推定するための流体シミュレーションモデルの構築を試みる。
２）模擬膜モジュールを実規模にスケールアップし、光ファイバセンサによるモジュール内の流動把握、および破断検知が可能か、また課題や改良点を検証し、実規模での破断検知を目指す。
３）モジュール内の圧力検知とは別に、膜ろ過水中の微粒子数の変化を、経時的に捉えていくことで、モジュール内の中空糸膜の破断等の異常を検知する手法を開発する。ろ過水中の微粒子数データのシグナルとノイズの分離、周期性について、時系列解析、およびカオス理論を用いて解析し、感度の高い異常検知手法を、実際の膜ろ過浄水施設のろ過水質データを用いて確立していく。
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| Causes of Carryover |
当該年度に購入を予定していた光ファイバセンサ型圧力センサとして、学内の研究協力先（先端科学技術研究センター セット・ジイヨン 准教授）と共同で使用することが可能となり、新規購入を次年度以降に見送ることとしたこと、また新型コロナウイルスの影響で流体解析に必要な実験実施が次年度に先送りとなったために流体解析ソフトのライセンス購入時期をずらしたこと、が理由である。
2020年度に流体解析ソフトおよび数値解析用計算機を購入する予定である。
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