CN1838987A - 中空丝膜子组件及使用该中空丝膜子组件的组件 - Google Patents
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Abstract
本发明的中空丝膜子组件，在利用按扣不连续地与外周部嵌合的状态下进行固定，由此使透过流体收集部件与中空丝膜元件贴紧，并且，该透过流体收集部件能够可逆地进行拆装，因而在更换膜时更换中空丝膜元件，透过流体收集部件能够再次安装在更换后的中空丝膜元件上，从而可进行再利用。此外，由于能够使按扣在压力容器内位于中空丝膜子组件的中央，并且不连续地配置按扣，所以可形成浓缩流体的流路。
Description
技术领域
本发明涉及构成中空丝膜组件的中空丝膜子组件，其中该中空丝膜组件由具有选择透过性的中空丝膜形成。涉及可用于以下情况的由具有选择透过性的中空丝膜形成的中空丝膜组件：用于流体的膜分离处理，例如海水的淡化、盐水的脱盐、废水的净化、无菌水的制造、超纯水的制造等反渗透法；除去高度净水处理、农药、臭气物质、消毒副产物前体等的低分子有害物质、除去硬度成分的软水处理等纳米过滤法；回收来自电泳涂装废水的涂料、浓缩·回收与食品有关的有用物、代替凝聚沉淀·砂滤的净水处理等的超滤法；回收来自天然气的氦、分离·回收来自氨工厂的吹扫用气体的氢、石油的三次回收中的碳酸气体的分离、富氧、富氮等的气体分离等。特别涉及构成对海水淡化等水处理有效的反渗透中空丝膜组件的中空丝膜子组件。
背景技术
选择透过性膜根据分离物质的尺寸进行分类。例如，作为液体处理用的膜的种类，大致分为用于分离胶体、蛋白质等的超滤膜、精密过滤膜、用于分离农药等的低分子有机物的纳米过滤膜以及用于分离离子类的反渗透膜。反渗透膜在高于待处理液体的渗透压力的压力下使用，在海水淡化时在几兆帕的压力下使用。
另一方面，作为选择透过性膜的膜形状，可以列举出平膜型、管状膜型、螺旋膜型以及中空丝膜型，其中，由于中空丝膜型能够增大其膜组件的每单位容积的膜面积，因而是适合于膜分离操作的形状，例如被广泛地应用于利用反渗透膜的海水淡化领域。并且，该中空丝膜组件通常由压力容器、中空丝膜元件以及将从多个中空丝膜流出的透过流体集合的透过流体收集部件等部件构成。特别是，需要使中空丝膜元件和上述透过流体收集部件贴紧，在本发明中将中空丝膜元件和透过流体收集部件处于贴紧固定状态的部件称为中空丝膜子组件。
这样的中空丝膜子组件，需要在一个压力容器中安装多个中空丝膜元件时，特别是安装多个两端开口型的中空丝膜元件时，由于易于从组件排出来自多个中空丝膜开口端部的透过流体，因而有效。
对于这样的现有中空丝膜子组件，为了简化结构并易于制造等，使中空丝膜元件和透过流体收集部件粘接成一体。例如，在特表平9-511447号公报中公开了使中空丝膜的两端形成开口，并在两端部的开口端部上一体形成透过流体收集部件(端盖)的中空丝膜子组件结构。
但是，上述中空丝膜子组件，由于中空丝膜元件和透过流体收集部件通过粘接等形成一体，因而在需要更换膜时，必须要更换整个中空丝膜子组件。因此，还必须更换、处理透过流体收集部件，并且不能进行再利用，因而从地球环境、经济方面考虑并不理想。并且存在下述问题：如果无法拆装透过流体收集部件，即使在进行子组件的性能评价后判明性能发生异常的情况下，也不能进行中空丝膜的开口面的泄漏试验·观察、修复。并且，在大型中空丝膜元件的情况下，存在难以通过将透过流体收集部件或端盖直接安装到中空丝膜元件上的方式进行作业的问题。并且在安装到压力容器上的情况下，需要确保一定间隙，以使供给流体或浓缩流体通过压力容器内表面与中空丝膜子组件之间的间隙，为此，必须减小中空丝膜元件的外径，因而存在中空丝膜的膜面积减小、透过流量降低的问题。
另一方面，可以考虑用螺钉进行紧固而将中空丝膜元件和透过流体收集部件固定的方式。虽然该固定方式能够可逆地进行拆装，但是在利用泵将供给流体提供给中空丝膜子组件而进行膜处理运转的情况下，由于泵的振动会使螺钉部在运转过程中松动，因而并不理想。并且，在螺钉结构中，虽然材料优选金属，但是在对海水等进行处理时会腐蚀金属部，因而并不理想。
发明内容
本发明的课题在于提供一种中空丝膜子组件，在使用过程中透过流体收集部件与中空丝膜元件贴紧，而且，该透过流体收集部件能够可逆地进行拆装，可以在更换膜时更换中空丝膜元件，透过流体收集部件能够再次安装在更换后的中空丝膜元件上而进行利用。
鉴于上述问题进行锐意研究的结果，本发明人等发现通过嵌合可拆装的按扣而将中空丝膜元件和透过流体收集部件固定可以同时达到上述两个目的，从而产生了本发明。
即，本发明如下所述：
(1)一种中空丝膜子组件，在与供给流体入口连通的供给流体分配管的周围配置有具有选择透过性的中空丝膜集合体，用树脂分别固定中空丝膜集合体的两端部后，用可拆装的按扣不连续地固定中空丝膜元件和透过流体收集部件，其中所述中空丝膜元件至少一方的端部被切断而使该中空丝膜的中空孔形成开口，所述透过流体收集部件使从中空丝膜的开口部流出的透过流体集合。
(2)根据(1)所述的中空丝膜子组件，其特征在于，在与供给流体入口连通的供给流体分配管的周围以交叉状配置具有选择透过性的中空丝膜。
(3)根据(1)或(2)所述的中空丝膜子组件，其特征在于，中空丝膜为反渗透膜。
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的中空丝膜子组件，其特征在于，用树脂制作按扣。
(5)根据(1)至(4)中任一项所述的中空丝膜子组件，按扣的冲击强度为2.5kg·cm/cm以上，弯曲弹性系数为10000～200000kg/cm2，拉伸强度为400kg/cm2以上。
(6)一种中空丝膜组件，其特征在于，在压力容器中安装了两个以上(1)至(5)中任一项所述的中空丝膜子组件。
在本发明中，构成配置在供给流体分配管周围的中空丝膜集合体的中空丝膜以交叉状配置是指，中空丝膜以相对于供给流体分配管的轴方向具有卷曲角度并相互交叉的状态进行配置。例如，可以通过使供给流体分配管旋转，使中空丝膜或由多个中空丝膜形成的中空丝膜束沿着供给流体分配管的轴方向往复移动(トラバ一ス)的同时卷起而进行制作。卷曲角度是中空丝膜相对于供给流体分配管的轴方向的角度，在中空丝膜集合体的内层部和外层部，角度有时会不同。例如，最外层部的角度优选5度～70度，进一步优选15度～50度。如果该角度过小，则卷起时中空丝膜或中空丝膜束容易溃散，并且难以确保中空丝膜之间的空间，有时难以发现交叉配置应有的效果。并且，如果该角度过大，则开口之间的中空丝膜的长度变长，中空部内的流动压力损失变大，可能减少有效压力差，还可能导致透过性能、分离性能降低。
本发明中的供给流体分配管是具有将从供给流体入口供给的流体分配给中空丝集合体的功能的管状部件。作为优选的一个例子，可以列举出多孔管。通过使用供给流体分配管，可以将供给流体均匀地分配给中空丝集合体。在中空丝膜元件的长度较长或中空丝膜集合体的外径较大的情况下特别有效。在本发明中进一步优选的是，使供给流体分配管位于中空丝膜集合体的中心部。与中空丝膜元件的直径相比，如果供给流体分配管的直径过大，则组件内的中空丝膜所占的比例减少，其结果是，组件的膜面积减少，因而会降低处理量。并且，如果供给流体分配管的直径过小，则供给流体在供给流体分配管内流动时的压力损失变大，其结果是，施加在中空丝膜的有效压力差变小，因而会降低透水量。此外，有时供给流体分配管会因供给流体在中空丝膜层流动时受到的中空丝膜的张力而破损。优选的是，综合考虑这些影响而设定最佳的直径。该供给流体分配管的直径，例如在中空丝膜元件的中空丝膜层部的外径大约为260mm时，外径优选为50mm～90mm，进一步优选为60mm～80mm。另一方面，供给流体分配管的内径优选为45mm～85mm，进一步优选为55mm～75mm。用FRP(玻璃纤维增强塑料)制造供给流体分配管时，供给流体分配管的壁厚优选为1mm～7mm，进一步优选为2mm～5mm。
在本发明中，用树脂分别固定中空丝膜集合体的两端部后，切断至少一方的端部而使该中空丝膜的中空孔形成开口是指，分别用粘接用树脂灌封中空丝膜集合体的两端部等而进行密闭固定，以防止供给流体从中空丝膜之间的间隙、中空丝膜与树脂之间的间隙泄漏。作为所使用的粘接树脂，优选根据处理流体的特性、使用条件从环氧类树脂、尿脘类树脂、硅类树脂等中进行选择。被粘接剂固定的两端部，可以通过进行切断等处理而使中空丝膜的中空孔形成开口，从而形成中空丝膜元件。将一个或多个中空丝膜子组件安装到具有供给流体入口、浓缩流体出口、透过流体排出口的压力容器中，从而形成中空丝膜组件。
本发明中的中空丝膜子组件是指，在中空丝膜元件上安装透过流体收集部件等部件，从而能够把来自中空丝膜开口部的透过流体集合并排出的部件。只有一侧端部形成开口时，在一端上安装透过流体收集部件而形成子组件。在这种情况下，优选的是，利用运转压力将另一侧端部压接在处于压力容器端部侧的透过流体收集部件上而进行密封。并且，两端形成开口时，在两端安装透过流体收集部件而形成中空丝膜子组件。两端形成开口时，为了把来自两端的中空丝膜开口部的透过流体集中排出，还优选采用将连通两端部的透过流体收集部件的内部管连接到透过流体收集部件上的方式。并且，还可以在一个压力容器上安装两个以上的两端开口的中空丝膜元件，当开口端部处于与压力容器内的端部分离的位置时，为了不受外部供给流体等污染地排出透过流体，优选将透过流体收集部件作为安装于中空丝膜元件开口端部上的中空丝膜子组件进行安装。在本发明中，将一个或多个中空丝膜子组件安装到具有供给流体入口、浓缩流体出口、透过流体排出口的压力容器上而形成中空丝膜组件。与将中空丝膜元件和透过流体收集部件粘接固定而难以进行装卸的方式相比，能够可逆地进行拆装的固定方法便于更换膜、检查性能、修复开口面，因而优选。
优选的是，本发明中的压力容器收容中空丝膜子组件，并能够向中空丝膜施加有效的压力差，能够利用中空丝膜进行分离操作，防止流体泄漏到外部，中空丝膜子组件的供给侧空间与透过侧空间以及透过侧空间与浓缩侧空间被严密地分离，因而能够确保各自的流路。并且，虽然不特别限定供给流体入口、浓缩流体出口、透过流体出口的位置，但是从操作、有效活用的方面考虑，优选位于压力容器的端部附近。并且，安装有多个中空丝膜子组件时，从膜子组件的运转管理方面考虑，优选的是设置多个透过流体出口，以便将各子组件的透过流体分别排出。例如，当收容有两个膜子组件时，作为一例可以列举出：供给流体入口位于一个端部的中央附近，透过流体出口位于两端的中央部以外，浓缩流体出口设在另一个端部附近的侧壁上。
本发明中的按扣是为了能够可逆地拆装中空丝膜元件和透过流体收集部件并且能够固定，在外周面上以不连续地嵌合的状态固定中空丝膜元件的端部和透过流体收集部件的部件。所说的嵌合状态是指，按扣一端的凸部嵌入设在中空丝膜元件端部上的凹部，按扣另一端部的凸部嵌入设在透过流体收集部件上的凹部的状态，虽然从外部强制性地施加拆卸方向的力时即脱落，但并不是自然脱落的结构。
对于该按扣而言，从拆装时的操作性、对于反复拆装的耐久性方面考虑，优选的是由具有较大冲击强度和适度弹性系数的原材料构成，并且从使用安装后的膜组件时、对于反复拆装的耐久性方面考虑，优选的是由具有较大强度的原材料构成。按扣的冲击强度，例如根据以ASTM(美国材料试验标准)的D256的试验法测定的测定值，优选为2.5(kg·cm/cm)以上，进一步优选为3(kg·cm/cm)以上。关于弹性系数，例如，通过ASTM的D790的试验法得到的弯曲弹性系数优选为10,000(kg/cm2)～200,000(kg/cm2)的范围，进一步优选为20,000(kg/cm2)～100,000(kg/cm2)的范围。并且，关于强度，例如通过ASTM的D638的试验法表示的拉伸强度优选为400(kg/cm2)以上，进一步优选为500(kg/cm2)以上。使用超出这些范围的原材料时，拆装时的操作性不良，根据情况有可能在嵌入时发生断裂。并且，如果使用时施加反压而在按扣上产生拉伸力，则有可能断裂。因此，作为优选材料的一例，可以列举出树脂。例如，可以列举出热塑性树脂、热固性树脂或由这些树脂与纤维形成的强化塑料。作为具体例子，有聚氯乙烯类树脂、聚丙烯类树脂、聚乙烯类树脂、聚缩醛类树脂、聚砜类树脂、聚酰亚胺类树脂、聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸丁二酯类树脂、ABS树脂、环氧类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚醚醚酮类树脂等。这些树脂即使与海水等接触也不会腐蚀，并且从强度、轻量、低成本方面考虑也较为理想。作为进一步优选的按扣材料，具有聚氯乙烯类树脂、聚缩醛类树脂、聚酰胺-酰亚胺类树脂、进行了纤维强化的聚酰胺类树脂等。
并且，按扣的形状，只要能够在嵌合状态下固定中空丝膜元件和透过流体收集部件即可，并不作特别限定。在图4中表示嵌合按扣的状态、透过流体收集部件和中空丝膜元件之间的关系的一个例子，按扣的端部的形状只要能够实现嵌合状态且不会自然脱落即可，并不作特别限定，例如优选的是，按扣的透过流体收集部件侧的角度θ17-1和按扣的中空丝膜元件侧的角度θ17-2为90度或90度以下。从拆装时的操作性方面考虑，优选的是，其中一个为90度以下，另一个为90度的情况。优选的是，θ17-1与透过流体收集部件的按扣用槽的角度θ6大致相等，θ17-2与中空丝膜元件的按扣用槽部的角度θ4大致相等。另外，按扣的形状，不限于由直线构成的形状，为了避免应力集中，优选根据部位而采用曲面的形状。同样地，优选的是，按扣的透过流体收集部件侧的突起部长度L17-1在透过流体收集部件的按扣槽20的深度L6以下，按扣的中空丝膜元件侧的突起部长度L17-2在中空丝膜元件的按扣用槽21的深度L4以下。当大于这些数值时，按扣的固定有时会不稳定。并且，优选的是，按扣的突起部间距W17与透过流体收集部件和中空丝膜元件的各按扣用槽之间的距离W64大致相等。W17过大时，成为自然脱落的原因，过小时存在难以进行安装的情况。该W64是O形环15通过运转时的加压而发生变形之前的状态下的值，因加压而发生变形时，透过流体收集部件和中空丝膜元件之间的距离W15变得非常小，有时几乎为0。即使在这种情况下，也优选按扣不会自然脱落的按扣的突起物的形状和槽形状的关系。另一方面，在进行这样的加压时，由于透过流体收集部件和中空丝膜元件的各按扣用槽之间的距离W64减小，因而优选的是，估计上述W64的减少变化的量，将中空丝膜元件的按扣用槽的宽度W4和/或透过流体收集部件的按扣用槽的宽度W6设定得稍微大一些，以防止在这种情况下按扣在两个槽之间受到压缩应力。从按扣的拆装性和使其难以自然脱落的方面考虑，W4优选为进入按扣的中空丝膜元件侧的槽的突起部的轴方向厚度W17-2的1.0倍至1.3倍，进一步优选为1.1倍至1.2倍。但是，优选的是，W4和W17-2的差异大于加压时O形环变形产生的位移量。W6也相同地，优选的是，与进入按扣的透过流体收集部件侧的槽的突起部的轴方向厚度W17-1相等或在其以上。按扣为图4所示的形状，在按扣的透过流体收集部件侧的角度θ17-1为90度的情况下，优选W6与W17-1相等。其中，例示了按扣的透过流体收集部件侧的角度θ17-1为90度时的情况，相反地，也可以是按扣的中空丝膜元件侧的角度θ17-2为90度的情况。
优选的是，考虑根据按扣在与中空丝膜元件的轴垂直的方向上的截面积和按扣个数求出的纵截面积、按扣材料所具有的物性值(强度等)以及假设使用时进行作用的力的安全率，设定按扣的宽度、粗细。关于按扣的宽度，优选的是，使根据按扣厚度算出的截面积乘以按扣原材料的拉伸强度得出的值大于按扣可能受到的设计载荷乘以安全率得出的值。安全率优选为2以上，进一步优选为3以上。按扣可能受到的某一设计载荷是拉伸载荷，例如在用反渗透膜进行海水淡化的情况下，假设在运转停止时在透过流体收集部件内部由于透过流体流动而产生压力，该压力乘以受压面积而算出拉伸载荷。优选的是，满足这些范围的同时，根据操作性和与压力容器的内表面之间的间隙距离来设定按扣的厚度、宽度。在本发明中，按扣的厚度优选1mm至7mm，进一步优选2mm至5mm。按扣的宽度优选为透过流体收集部件的外周长度的几分之一至几十分之一，例如在透过流体收集部件的直径为280mm的情况下，优选10mm至150mm，进一步优选20mm至100mm。
本发明中的按扣不连续地配置在外周部上，并不是跨越外周部的整个圆周地配置按扣，而是存在设有按扣的部分和没有按扣的部分。设有按扣的部分具有将中空丝膜元件固定在压力容器内的中心位置上的作用，没有按扣的部分具有确保用于使浓缩流体通过的流路的作用。该按扣所占的比例优选为透过流体收集部件的外周的10％以上、60％以下，进一步优选为30％以上、50％以下。该比例过大时，由于供给流体、浓缩流体所通过的流路体积变小，因而压力损失增加，透过水量降低。相反地，按扣所占比例过小时，按扣的强度变小，按扣有可能破损。并且，由于用于固定透过流体收集板的强度不足，因而存在透过流体泄漏或混入浓缩流体的情况。
并且，从平衡方面、配置到压力容器中央部上的简易性方面考虑优选的是，大致以对称状态配置多个按扣。虽然按扣的个数并未特别限定，但是过多时拆装时的操作变得复杂，相反地，过少时由于需要使按扣本身变大，因而难以进行拆装作业。优选3～16个，进一步优选4～10个。
本发明中的透过流体收集部件是指，集合从中空丝膜元件开口端部的中空丝膜开口部流出的透过流体并确保中空丝膜开口部上的流路的部件。其具有通过中空丝膜元件的结构承受施加在端部上的压力的作用。虽然不特别限定其形状，但是为了收集透过流体，优选的是能够确保用于防止堵塞中空丝膜开口部的空间的结构。例如，具有以下方式：在与中空丝膜元件的开口端部接触的表面上以同心圆状构成三角槽，在顶部保持开口端部的压力，在谷部形成透过流体的流路。虽然根据防止限制透过流体从中空丝膜开口端部的流动的意义，优选的是使该顶部与开口端部接触的面积较小，但是过小时由于不能保持压力，因而优选为中空丝膜元件开口端部面积的0.1％～2％，进一步优选为0.2％～1％。并且，虽然不特别限定其原材料，但是从化学稳定性、经济性、强度、弹性考虑，优选由树脂制成。作为优选的一个例子，可以列举出聚缩醛、氯乙烯等。也可以与按扣的材料相同。由于透过流体收集部件与压力容器的间隙成为浓缩流体的流路，因而优选确保该间隙的大小为，可以防止浓缩流体通过透过流体收集部件的外表面和压力容器的内表面之间时不会产生过大的压力损失。例如，在用反渗透膜组件进行海水淡化时，透过流体收集部件的外表面和压力容器的内表面之间的距离优选为1mm～10mm，进一步优选为2mm～8mm。
作为本发明中的具有选择透过性的中空丝膜，可以列举出精密过滤膜、纳米过滤膜以及反渗透膜等，本发明对于海水淡化等所使用的反渗透中空丝膜组件特别有效。
在本发明中，中空丝膜优选为反渗透膜。反渗透膜是指几十道尔顿分子量的具有分离特性的范围的分离膜，具体而言，其能够在0.5MPa以上的操作压力下除去90％以上的食盐。用于海水淡化的中空丝型反渗透膜，由于操作压力大，因而一般中空丝膜直径小，中空部内的流动压力损失容易变大。并且，由于作为被处理流体的海水的混浊度高，因而优选不会阻塞中空丝膜之间的结构，是容易获得本发明效果的一个例子。
优选的是，考虑根据中空率设定本发明中的中空丝膜的内径，该中空率是由中空丝膜的内径和外径算出的。最佳值随着使用压力而不同，例如在通过反渗透方式对海水进行淡化等高压运转的情况下，优选30μm～200μm，进一步优选40μm～150μm。内径过小时，中空部内的流动压力损失变大，因而透过水量降低。另一方面，内径过大时，由于中空丝膜直径本身变大，因而每单位容积的膜面积可占据的面积不大，可能降低处理量。
在本发明中，在压力容器中安装了两个以上中空丝膜子组件的中空丝膜组件是指，在供给流体、透过流体、浓缩流体分别连通的状态下安装各中空丝膜子组件。通过在一个压力容器中安装两个以上中空丝膜子组件，可以降低对应每个中空丝膜子组件的压力容器的成本，能够减少连接膜组件之间的配管，并且能够减小每个中空丝膜子组件的空间，因而优选。不特别限定可收容到一个压力容器中的中空丝膜子组件的个数。例如，对于用于海水淡化的反渗透膜而言，优选在6个以内。个数过多时，由于从压力容器排出透过流体时的流路变长，压力损失变大，因而存在透过流量减少的情况，并且存在难以进行中空丝膜子组件拆装作业的操作的情况。
在中空丝膜组件的透过流体流量相对于向中空丝膜组件供给的供给流体流量的比例即回收率较低或要减小膜组件的压力损失的情况下，优选的是，并列连接多个中空丝膜子组件。并列连接是指将供给流体并列地提供给各中空丝膜子组件，向各中空丝膜子组件供给的供给流体的组成、浓度，在各中空丝膜子组件中基本相同。因此，各中空丝膜子组件所受到的负荷同样地分散，因而负荷不会向特定的中空丝膜子组件集中。并且，由于向各中空丝膜子组件供给的供给流量小，因而组件压力损失变小，因而能够确保有效压力差。
另一方面，在回收率较高的情况或要改变各中空丝膜子组件的透过流体浓度的情况下，优选的是，串联连接多个中空丝膜子组件。串联连接是指，在一个压力容器中，以供给侧、浓缩侧、下游中空丝膜子组件的供给侧、浓缩侧的顺序依次将供给流体到各中空丝膜子组件的情况，向中空丝膜子组件供给的供给流体的组成、流量在各中空丝膜子组件中基本不同，越靠近下游中空丝膜子组件供给的供给流体，非透过成分、即去除对象成分的浓度越高，而且流量也越小。因此，一般而言，根据中空丝膜子组件得到的透过流体的流量、浓度取决于中空丝膜组件的操作条件尤其是回收率，在每个中空丝膜子组件上都不同。越靠近浓缩侧的中空丝膜子组件，透过流体的流量越少，并且非透过成分、即去除对象成分的浓度越高。因此，根据各中空丝膜子组件得到的透过流体的浓度不同，在结合采用后处理时，仅对透过流体的浓度较高的中空丝膜子组件的透过流体进行后处理，即可实现整体的最佳化。并且，在这样串联连接的情况下，由于向中空丝膜子组件供给的供给流体的流量大，因而即使在回收率较高的情况下，中空丝膜表面的流速也变大，从而可以有效抑制膜表面的浓度极化、抑制污染成分的附着。
附图说明
图1是在本发明的中空丝膜子组件中，仅在一端设置透过流体收集部件时的一个例子，表示在压力容器中安装了一个中空丝膜子组件时的中空丝膜组件的结构简图。
图2是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，表示仅在一端设置透过流体收集部件时的结构简图。
图3是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，是用于表示中空丝膜开口部、按扣和压力容器之间关系的、与轴方向垂直方向上的端面部的简单示意图。
图4是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，以示意图表示将按扣嵌合在中空丝膜元件端部和透过流体收集部件上的状态。
图5是表示在本发明的中空丝膜子组件的一个例子中，仅在一端设置透过流体收集部件时，在压力容器中以并列连接方式安装两个中空丝膜子组件时的中空丝膜组件的结构简图。
图6是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，表示在两端设置透过流体收集部件时的结构简图。
图7是表示在本发明的中空丝膜子组件的一个例子中，在两端设置透过流体收集部件时，在压力容器中以并列连接方式安装两个中空丝子组件时的中空丝膜组件的结构简图。
图8表示本发明的按扣的一个例子的结构简图。
标号说明
1、1’：中空丝膜子组件
2、2’：中空丝膜
3、3’：供给流体分配管
4a、4b、4a’、4b’：树脂
5a、5b、5a’、5b’：中空丝膜开口部
6a、6b、6a’、6b’：透过流体收集部件
7、7’：内部管
8：压力容器
9、9’：供给流体入口
10、10’：浓缩流体出口
11、11’：透过流体出口
12、12’：供给流体
13、13’：浓缩流体
14、14’：透过流体
15：O形环
16：中间连接器
17：按扣
18、18’：中空丝膜元件
19：衬垫
20：透过流体收集部件的按扣用槽
21：中空丝膜元件的按扣用槽
L4：中空丝膜元件的按扣用槽的深度
L6：透过流体收集部件的按扣用槽的深度
L17-1：按扣的透过流体收集部件侧的突起部长度
L17-2：按扣的中空丝膜元件侧的突起部长度
W4：中空丝膜元件的按扣用槽的宽度
W6：透过流体收集部件的按扣用槽的宽度
W15：透过流体收集部件和中空丝膜元件之间的距离
W17：按扣的突起部间距
W17-1：进入按扣的透过流体收集部件侧的槽的突起部的轴方向厚度
W17-2：进入按扣的中空丝膜元件侧的槽的突起部的轴方向厚度
W64：透过流体收集部件和中空丝膜元件的各按扣用槽之间的距离
θ4：中空丝膜元件的按扣用槽部的角度
θ6：透过流体收集部件的按扣用槽的角度
θ17-1：按扣的透过流体收集部件侧的角度
θ17-2：按扣的中空丝膜元件侧的角度
具体实施方式
以下，虽然列举实施例说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。其中，实施例表示海水淡化用的反渗透膜的情况。
本实施方式的中空丝膜子组件1，在供给流体分配管3的周围配置具有选择透过性的中空丝膜2，两端部用树脂4a、4b固定，在两端部具有中空丝膜开口部5a、5b的中空丝膜元件的一个中空丝膜开口部5b上，在以按扣17嵌合的状态下固定有透过流体收集部件6b，在另一个中空丝膜开口部5a上，透过流体收集部件6a处于被压接在压力容器内的状态。形成以下结构：利用透过流体收集部件收集透过流体，一端的透过流体通过内部管7被集中到另一个透过流体收集部件6a上。
该中空丝膜子组件1收容在圆筒状的压力容器8内，在压力容器8上设有供给流体入口9、浓缩流体出口10以及透过流体出口11。
供给流体12，从供给流体入口9进入，通过供给流体分配管3并朝圆周方向的外侧向中空丝膜2供给，一部分流体透过中空丝膜2而从中空丝膜开口部5a、5b，经过透过流体收集部件6a、6b和内部管7，由透过流体出口11作为透过流体11排出。另一方面，未透过中空丝膜2的浓缩流体，通过中空丝膜子组件1和压力容器8之间的流路，从浓缩流体出口10作为浓缩流体13排出。由于通过O形环15进行密封，因而浓缩流体不会与透过流体混合。
图2是在本发明的中空丝膜子组件中，仅在一端设置透过流体收集部件6b时的一个例子，与构成图1的中空丝膜组件的中空丝膜子组件类型相同。在这种情况下，仅在中空丝膜元件18的一个中空丝膜开口部5b，在以按扣17嵌合的状态下将透过流体收集部件6b固定。
图3是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，是用于表示中空丝膜开口部5a、按扣17和压力容器8之间关系的、与轴方向垂直的方向上的端面部的剖面的简单示意图。作为一个例子，表示在中空丝膜元件的开口端部的树脂部4a的外周部上以不连续状态、且以大致相等间隔、对称状态设有8个按扣17的情况。该按扣17具有以下效果：不仅以嵌合状态将透过流体收集部件和中空丝膜元件的端部的树脂部4a固定，还使中空丝膜子组件设置于压力容器内的大致中央。并且，由于按扣17不连续，没有按扣17的部分能够确保中空丝膜子组件和压力容器内表面之间的空隙，因而还具有确保浓缩流体的流路的效果。
图4是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，是示意性地表示通过嵌合按扣17而安装中空丝膜元件端部的树脂部4a和透过流体收集部件6a的状态的简图。在透过流体收集部件6a上设有用于嵌合按扣的槽，另一方面，在中空丝膜元件的树脂侧也设有槽。树脂侧的槽以锐角形成切口，形成按扣不易脱落的形式。安装按扣时，首先嵌入树脂4a侧后，安装在透过流体收集部件6a侧，由此能够牢固地固定。相反地，进行拆卸时，从透过流体收集部件6a侧，如果不使用专用夹具，则无法拆卸。
图5是表示在本发明的中空丝膜子组件的一个例子中，仅在一端设置透过流体收集部件时，在压力容器中以并列连接方式安装两个中空丝膜子组件时的中空丝膜组件的结构简图。各个中空丝膜子组件1、1’内的流体的流动、结构基本上与图1相同。两个中空丝膜子组件1、1’通过中间连接器16进行连接，供给流体12的一部分被供给到中空丝膜子组件1，剩余部分通过该中间连接器16供给到中空丝膜子组件1’。中空丝膜子组件1、1’的浓缩流体都从浓缩流体出口10排出。中空丝膜子组件1、1’的透过流体从各自的透过流体出口11、11’排出。
图6是本发明的中空丝膜子组件的一个例子，表示在两端设置透过流体收集部件时的结构简图。
图7是表示在本发明的中空丝膜子组件的一个例子中，在两端设置透过流体收集部件时，在压力容器中安装两个中空丝膜子组件时的中空丝膜组件的结构简图。
以下，虽然列举实施例说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。其中，实施例表示海水淡化用的反渗透膜的情况。
(按扣的冲击强度的测定)
根据ASTM的D256的试验法中的带切口的埃左氏法(ノッチ付きァィゾット)进行测定。
(按扣的弯曲弹性系数的测定)
根据ASTM的D790的试验法，测定弯曲弹性系数。
(按扣的拉伸强度的测定)
根据ASTM的D638的试验法进行测定。
实施例1
(中空丝膜的制作)
40重量份的三乙酸纤维素(乙酰化度61.4)与溶液混合后进行升温而形成制膜原液，该溶液由18重量份的乙二醇以及42重量份的N-甲基-2-吡咯烷酮构成。在减压状态下对该溶液脱泡后，通过喷嘴经由空中移动部而喷出到凝固液中，从而形成中空丝，其中该凝固液由65重量份14℃的水、10.5重量份乙二醇以及24.5重量份N-甲基-2-吡咯烷酮形成。然后，在常温下对中空丝膜进行水洗而除去过剩的溶剂、非溶剂后，用热水进行处理而制作出由丝素三醋酸酯膜形成的中空丝型反渗透膜。所得到的中空丝膜的外径为137μm，内径为53μm。以大约1m的有效长度测定该中空丝膜的脱盐性能时，透水量为61L/m2日、食盐去除率为99.8％。测定条件为：供给压力5.4MPa、温度25℃、食盐浓度3.5％、回收率2％以下。其中，食盐的去除率由下式进行定义：
去除率＝(1-(透过水中的溶质浓度/供给水中的溶质浓度))×100(％)
(中空丝膜子组件的制作)
使这些中空丝膜以交叉状配置在由多孔管形成的供给流体分配管的周围，而形成中空丝膜集合体。使供给流体分配管以其轴为中心进行旋转的同时，使中空丝膜束进行往复移动，而卷绕在供给流体分配管的周围，从而以交叉状配置中空丝膜。最外层的中空丝膜相对于轴方向成47度。用环氧树脂灌封该中空丝膜集合体的两端部并固定之后，切断两端而使中空丝膜的中空孔形成开口。然后，在供给流体分配管的内部穿过内部管，利用透过流体收集部件将两端部固定。一端的透过流体收集部件，在图3、图4所示的嵌合8个按扣的状态下进行固定，从而与中空丝膜元件端部固定，制成图2所示的中空丝膜子组件。另一端部以构成供给流体入口的连接器为中心而保持透过流体收集部件。并且，按扣的材料使用与透过流体收集部件相同的聚缩醛树脂。该聚缩醛树脂的冲击强度、弯曲弹性系数、拉伸强度分别为7.6(kg·cm/cm)、28,700(kg/cm2)、700(kg/cm2)。按扣为图8所示的形状，在圆周方向上形成沿着中空丝膜元件和透过流体收集部件的圆周形状的圆弧形的形状。相当于图4的按扣的中空丝膜元件侧的突起物的角度θ17-2为63度，为了防止应力集中，不形成锐角而以曲面结构形成圆角。按扣的透过流体收集部件侧的突起物的角度θ17-1为90度。按扣的透过流体收集部件侧的突起部长度L17-1为15mm，小于透过流体收集部件的按扣槽的深度L6的16mm。并且，L17-1比按扣的中空丝膜元件侧的突起部长度L17-2大，因而可确保安装稳定性。按扣突起物之间的距离W17为45mm，与将透过流体收集部件和中空丝膜元件之间的距离W15设定为0.5mm时透过流体收集部件和中空丝膜元件的各按扣用槽之间的距离W64的45mm相同。进行加压时W15为0的情况下，虽然W17比W64长0.5mm，但是由于中空丝膜元件的按扣用槽的宽度W4为4mm，因而能够吸收这些距离，防止在按扣上施加压缩应力。并且，透过流体收集部件的外径为274mm，相对于压力容器内径280mm，在半径上形成3mm的间隙。按扣的圆周方向的宽度为50mm，按扣的厚度为2.5mm，个数为8个，以圆周形状对称配置地进行设置，相对于安装按扣时的外径279mm的外周长876mm占46％。通过主要占剩余部分54％的空隙部分形成浓缩流体的流路。
(中空丝膜组件的性能评价)
将一个该中空丝膜子组件安装在压力容器中而形成图1所示的单型的组件。在该组件中，以操作压力5.4Mpa向供给流体入口供给温度为25℃、食盐为3.5重量％的食盐水溶液，进行反渗透处理，测定经过两个小时后的透过水流量、透过水浓度等。此时的回收率，即透过水流量相对于向膜组件供给的供给水流量的比例为30％。可知食盐去除率为99.5％，透过水未与供给水、浓缩水混合而从组件排出。从该中空丝膜组件取出中空丝膜子组件，并且使用夹具能够容易地从中空丝膜子组件上拆装透过流体收集部件。此外，假设在利用反渗透膜进行海水淡化的运转过程中停止时产生了逆流现象，而实施了2kg/cm2下的逆压耐性试验，但可认为试验前后按扣未发生异常。
实施例2
与实施例1相同地制作中空丝膜和中空丝膜元件，并安装透过流体收集部件等而形成中空丝膜子组件。将两个中空丝膜子组件与中间连接器一起安装在压力容器中，而制成图5所示的并列配置的双型组件。在与实施例1相同的条件下实施了反渗透处理。其结果是，食盐去除率为99.5％。而且，与实施例1相同地，可以从该中空丝膜组件中取出中空丝膜子组件，并可使用夹具容易地从中空丝膜子组件上拆装透过流体收集部件。并且，假设在利用反渗透膜进行海水淡化的运转过程中停止时产生了逆流现象的，而实施了2kg/cm2下的逆压耐性试验，但可认为试验前后按扣未发生异常。
实施例3
与实施例1相同地，制作中空丝膜和中空丝膜元件，在两端部上以利用按扣嵌合的状态固定透过流体收集部件，从而制作出图6所示的中空丝膜子组件。将两个中空丝膜子组件与中间连接器一起安装在压力容器中而制成图7所示的并列配置的双型组件。在与实施例1相同的条件下实施了反渗透处理。其结果是，食盐去除率为99.5％。并且，与实施例1相同地，可以从该中空丝膜组件取出中空丝膜子组件，并可使用夹具容易地从中空丝膜子组件上拆装透过流体收集部件。并且，假设在利用反渗透膜进行海水淡化的运转过程中停止时产生了逆流现象，而实施了2kg/cm2下的逆压耐性试验，但可认为试验前后按扣未发生异常。
比较例1
与实施例1相同地制作出中空丝膜和中空丝膜元件。在一端部上利用螺钉固定透过流体收集部件。另一端部以构成供给流体入口的连接器为中心而保持透过流体收集部件。在压力容器中安装一个中空丝膜子组件，在与实施例1相同的条件下实施了反渗透处理。其结果是，食盐去除率降低为98.0％，并随着时间的经过而降低。与实施例1相同地，从该中空丝膜组件中取出中空丝膜子组件，并且要从中空丝膜子组件上拆卸透过流体收集部件时，观察到螺钉部松动，透过流体收集部件的透过水中混入浓缩水。
比较例2
与实施例1相同地制作出中空丝膜和中空丝膜元件。在一端部上用粘接剂固定透过流体收集部件。另一端部以构成供给流体入口的连接器为中心而保持透过流体收集部件。在压力容器中安装一个中空丝膜子组件，在与实施例1相同的条件下实施了反渗透处理。其结果是，食盐去除率为99.5％。与实施例1相同地，从该中空丝膜组件中取出中空丝膜子组件，并且要从中空丝膜子组件拆卸透过流体收集部件时，由于被粘接，因而难以进行拆卸，透过流体收集部件的一部分破损而成为无法再利用的状态。
比较例3
与实施例1相同地制作出中空丝膜和中空丝膜元件。在两端部上用粘接剂固定了透过流体收集部件。在压力容器中安装两个中空丝膜子组件，在与实施例1相同的条件下实施了反渗透处理。其结果是，食盐去除率为99.5％。与实施例1相同地，从该中空丝膜组件中取出中空丝膜子组件，并且要从中空丝膜子组件拆卸透过流体收集部件时，由于被粘接，因而难以进行拆卸，透过流体收集部件的一部分破损而成为无法再利用的状态。
比较例4
与实施例1相同地制作出中空丝膜和中空丝膜元件。在一端部上，在对称位置上设置两个与实施例相同的按扣，将透过流体收集部件固定。安装之后，要将子组件安装到压力容器中时，在透过流体收集部件上施加力时容易发生偏移，因而操作性存在问题。并且，假设在利用反渗透膜进行海水淡化的运转中停止时产生了逆流现象，实施2kg/cm2下的逆压耐性试验时，认为试验后在按扣上发生损伤等，因而判断为强度不足。
比较例5
与实施例1相同地制作出中空丝膜和中空丝膜元件。在一端部上，以与实施例1相同的形状制作材料由氯化聚醚树脂构成的按扣，并在对称位置上以8个这样的按扣将透过流体收集部件固定。另一端部以构成供给流体入口的连接器为中心而保持透过流体收集部件。该氯化聚醚树脂的冲击强度、弯曲弹性系数、拉伸强度分别为2.2(kg·cm/cm)、9,000(kg/cm2)、380(kg/cm2)。由于该按扣的冲击强度、弯曲弹性系数、拉伸强度不足，因而在安装时破损。
工业实用性
由于以利用按扣与外周部不连续地嵌合的状态进行固定，所以透过流体收集部件与中空丝膜元件贴紧，并且，由于该透过流体收集部件是能够可逆地进行拆装的中空丝膜子组件，因而可以在更换膜时更换中空丝膜元件，并将透过流体收集部件再次安装在更换后的中空丝膜元件上进行再利用。并且，可以将按扣设置在压力容器内中空丝膜子组件的中央，而且，按扣不连续地配置，所以能够形成浓缩流体的流路，因而能够用于以下的广泛用途领域：例如海水的淡化、盐水的脱盐、废水的净化、无菌水的制造、超纯水的制造等反渗透法；高度净水处理、除去农药、臭气物质、消毒副产物前体等的低分子有害物质、除去硬度成分的软水处理等纳米过滤法；回收来自电泳涂装废水的涂料、浓缩·回收与食品有关的有用物、代替凝聚沉淀·砂滤的净水处理等的超滤法；回收来自天然气的氦、分离·回收来自氨工厂的吹扫用气体的氢、石油的三次回收中的碳酸气体的分离、富氧、富氮等的气体分离等，从而能够对工业界起到很大的贡献。
Claims (6)
1.一种中空丝膜子组件，在与供给流体入口连通的供给流体分配管的周围配置有具有选择透过性的中空丝膜集合体，用树脂分别固定中空丝膜集合体的两端部后，用可拆装的按扣不连续地固定中空丝膜元件和透过流体收集部件，所述中空丝膜元件的至少一个端部被切断而使该中空丝膜的中空孔形成开口，所述透过流体收集部件使从中空丝膜的开口部流出的透过流体集合。
2.根据权利要求1所述的中空丝膜子组件，其特征在于，在与供给流体入口连通的供给流体分配管的周围以交叉状配置具有选择透过性的中空丝膜。
3.根据权利要求1或2所述的中空丝膜子组件，其特征在于，中空丝膜为反渗透膜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的中空丝膜子组件，其特征在于，按扣由树脂制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的中空丝膜子组件，按扣的冲击强度为2.5kg·cm/cm以上，弯曲弹性系数为10,000～200,000kg/cm2，拉伸强度为400kg/cm2以上。
6.一种中空丝膜组件，其特征在于，在压力容器中安装有两个以上权利要求1至5中任一项所述的中空丝膜子组件。
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