JP2004089764A

JP2004089764A - スパイラル型膜エレメント、分離膜モジュール及び分離膜装置

Info

Publication number: JP2004089764A
Application number: JP2002251060A
Authority: JP
Inventors: Yuya Sato; 佐藤　祐也
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】工業用水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給しても、原水スペーサーの入口近傍には濁質が蓄積し難く、通水差圧の上昇を遅らせることができるスパイラル型膜エレメント、分離膜モジュール及び分離膜装置を提供すること。
【解決手段】透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものである。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給しても、原水スペーサーの入口近傍には濁質が蓄積し難く、通水差圧の上昇を遅らせることができるスパイラル型膜エレメント、分離膜モジュール及び分離膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る方法として、逆浸透膜（ＲＯ膜）やナノ濾過膜（ＮＦ膜）を透過膜とするスパイラル型膜エレメントを用い、原水中からイオン成分や低分子成分を分離する逆浸透膜法が知られている。また低分子ないし高分子成分を分離したり、低分子成分ないし高分子成分の内、高分子成分のみを分離したりする限外濾過法や、微粒子を分離したりする精密濾過法においてもスパイラル型膜エレメントが用いられている。図５に例示されるように、従来から使用されている逆浸透膜におけるスパイラル型膜エレメントの一例は、透過水スペーサー５２の両面に逆浸透膜５１を重ね合わせて３辺を接着することにより袋状膜５３を形成し、該袋状膜５３の開口部を透過水集水管５４に取り付け、網状の原水スペーサー５５と共に、透過水集水管５４の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成されている。そして、原水５６はスパイラル型膜エレメント５０の一方の端面側５ａから供給され、原水スペーサー５５に沿って流れ、スパイラル型膜エレメント５０の他方の端面側５ｂから濃縮水５８として排出される。原水５６は原水スペーサー５５に沿って流れる過程で、逆浸透膜５１を透過して透過水５７となり、この透過水５７は透過水スペーサー５２に沿って透過水集水管５４の内部に流れ込み、透過水集水管５４の端部から排出される。このように、巻回された袋状膜５３間に配設される原水スペーサー５５により原水経路が形成されることになる。
【０００３】
このような逆浸透膜スパイラル型エレメントを用いて海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、通常、原水の濁質などを除去する目的で前処理が行われている。この前処理を行うのは、逆浸透膜スパイラル型エレメントの原水スペーサーの厚みは、原水流路を確保しつつできる限り原水と逆浸透膜との接触面積を大きくとるため通常１ｍｍ以下と薄く、濁質が原水流路にある原水スペーサーに蓄積され、原水流路を閉塞し易い構造となっており、このため、予め原水中の濁質を除去して濁質蓄積による通水差圧の上昇や透過水量、透過水質の低下を回避し、長期間に亘り安定な運転を行うためである。このような除濁目的で用いられる前処理装置は、例えば、凝集沈殿処理、濾過処理及び膜処理などの各装置を含むものであり、これらの設置は、設置コストや運転コストを上昇させると共に、大きな設置面積を必要とするなどの問題を有していた。このため、従来例のような薄い原水スペーサーで原水流路を確保でき、従来と同等程度の脱塩率を維持できると共に、濁質が蓄積しない構造の原水スペーサーが開発されれば、工業用水や水道水が前処理なしで供給でき、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が可能となり、産業上の利用価値は極めて高いものとなる。
【０００４】
一方、スパイラル型膜エレメントの濁質による原水流路の閉塞を防止するため、従来の格子の網目状原水スペーサーの構造を改善した種々の提案がなされている。特開昭６４−４７４０４号公報には、波板形であって該波形が蛇行する形状の原水スペーサーを用いるスパイラル型膜エレメントが開示されている。この蛇行波形形状の原水スペーサーは成型が困難であると共に、スパイラル状に巻回する際、流路が潰れる可能性が大であり、実用的ではない。
【０００５】
特開平９−２９９７７０号公報には、第１の線材と第２の線材が互いに交差するように格子状に形成されてなり、第１の線材又は第２の線材が透過水集水管の長手方向と平行になるように原水スペーサーを配置する構造のものが開示されている。この構造の原水スペーサーによれば、原水が透過水集水管の長手方向と平行な方向にほぼ直線状に流れるため、圧力損失が低く、且つ原水の線速が大きくなり、原水中の濁質が蓄積し難くなる反面、集水管の長手方向に直角な方向に存在する線材が原水の流路を遮るため、当該線材や線材の交点部分に濁質が蓄積してしまい、やはり原水流路の閉塞を起こしてしまう。
【０００６】
特開平９−２９９９４７号公報には、原水スペーサーとして、厚さ２ｍｍ以上、５ｍｍ以下の合成樹脂のネットを用いるスパイラル型膜エレメントが記載され、原水スペーサーを厚くすることで、濁質の蓄積を防止している。しかし、原水スペーサーを厚くするだけでは、濁質の蓄積防止という点では大きな効果が期待できず、他方でスパイラル状物とした場合、１エレメント当たりの膜面積が小さくなってしまうという問題がある。
【０００７】
一方、特開２０００−４３７号公報には、集水管の軸線に垂直な方向における２交点の間隔Ｘは２〜５ｍｍの範囲にあり、集水管の軸線方向における２交点の間隔ＹはＸの１．１〜１．８倍の格子状の原水スペーサーを用いるスパイラル型膜エレメントが記載されている。しかし、この発明の目的、すなわち、格子状の目開きを特定形状とした目的は、逆浸透膜上における原水の流れをエレメントの周方向に拡散させてその逆浸透膜上における濃度分極層の厚みを低減し、透過水量を確保することにあり、原水流路における濁質の蓄積を防止するものではない。
【０００８】
特開平１１―１０４６３６号公報には、加圧した気液二層流を通常の原水の流れに対して逆の流れ方向で供給して逆浸透膜モジュールを逆洗する方法が開示されている。しかし、この逆洗方法は、中空糸型逆浸透膜モジュールの該中空糸膜面に付着した濁質の除去であり、スパイラル型逆浸透膜モジュールの原水スペーサーに付着した濁質の除去ではない。また、従来のスパイラル型逆浸透膜モジュールにこのような逆洗を適用したとしても、それなりの洗浄効果が認められるものの、長期間に亘る運転においては、やはり原水スペーサーの交点部分に濁質が徐々に蓄積する場合がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図６に示すように、従来提案されている原水スペーサーのうち、第１の線材６１と第２の線材６２とで構成される網目状構造６０のものは、いずれも、原水流路内に交点部分６４が存在し、これが原水の淀みを発生させることになり、長期間の使用においては濁質６３の蓄積が起ってしまい、通水差圧の上昇は避けられない。原水流路を確保しつつ、交点部分のない流路を形成するという観点から、原水の流入側から流出側に向かって直線状又は略直線状に延在する線材のみで形成される構造のものが最も好適なものであるが、線材同士を繋ぐ構造ではないため、工業的に製作することは困難である。一方、前処理を省略できることのメリットは多大なものがあるため、濁質の多少の蓄積は容認しつつ通水差圧の上昇を遅らせるようなものであっても使用価値はあり、蓄積された濁質をフラッシング等で除去できれば、更に使用価値は高められる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、工業用水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給しても、原水スペーサーの入口近傍には濁質が蓄積し難く、通水差圧の上昇を遅らせることができるスパイラル型膜エレメント、分離膜モジュール及び分離膜装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントにおいて、原水中の濁質が蓄積するのは主に原水スペーサーの入口側であること、入口側の交点数密度を低くすることにより、すなわち、網目を構成する線材の交点数密度が原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであれば、濁質の蓄積が原水スペーサー全体に亘り均一になること、濁質が均一に蓄積されることにより、入口側のみに蓄積するよりも、差圧の上昇速度が遅くなることなどを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明（１）は、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであるスパイラル型膜エレメントを提供するものである。例えば従来の網目状原水スペーサーを装着する逆浸透膜モジュールでは、原水中の濁質が蓄積するのは主に原水スペーサーの入口側であるため、通水差圧の上昇速度が速かった。これに対して本発明は濁質の蓄積が原水スペーサー全体に亘り均一であるため、通水差圧の上昇速度が遅くなる。このため、フラッシングを行なう回数が、通常よりも少なくて済み、その結果濃縮水をブローする時間が短くなると共に、透過水が得られない時間も短くなるため、回収率は向上する。
【００１３】
また、本発明（２）は、前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５０，０００以上、３００，０００以下であり、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５００以上、５０，０００未満である前記スパイラル型膜エレメントを提供するものである。かかる構成を採ることにより、用途あるいは使用条件に見合った好適な適宜の数値を選択して作製することができる。
【００１４】
また、本発明（３）は、前記スパイラル型膜エレメントを１個備える分離膜モジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、分離膜モジュールに装着されたスパイラル型膜エレメントの原水スペーサーは原水流入側から濃縮水流出側にかけて必ず漸次増加するか、または断続的に増加しており、前記効果を確実に奏することができる。また、水処理施設内に搬入し易く、且つそのままの形態で処理ラインに装着できる。
【００１５】
また、本発明（４）は、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に複数個連結してなる分離膜モジュールであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、該分離膜モジュール基準として、原水の流れ方向に沿って漸次増加するか、または断続的に増加するものである分離膜モジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、分離膜モジュールに装着された複数のスパイラル型膜エレメントにおいて、原水スペーサーの交点数密度は該分離膜モジュール基準として、原水流入側から濃縮水流出側にかけて必ず漸次増加するか、または断続的に増加しており、前記効果を確実に奏することができる。
【００１６】
また、本発明（５）は、前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５０，０００以上、３００，０００以下であり、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５００以上、５０，０００未満である前記分離膜モジュールを提供するものである。複数のスパイラル型膜エレメントが装着された分離膜モジュールにおいても、前記発明（２）と同様の効果を奏する。
【００１７】
また、本発明（６）は、前記分離膜モジュールを備える分離膜装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、工業用水や水道水などスパイラル型膜エレメントにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給でき、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が可能となり、産業上の利用価値は極めて高い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明のスパイラル型膜エレメントで用いられる網目状原水スペーサーとしては、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであれば、特に制限されない。本発明において、線材の交点数密度が漸次増加するとは、図１（Ａ）に示すように、原水流入側Ｘから濃縮水流出側Ｙに向けて、複数の第１線材１１と複数の第２線材１２で形成される交点数が低密度から高密度に連続的に変化しているものを言い、線材の交点数密度が断続的に増加するとは、図１（Ｂ）に示すように、原水流入側Ｘから濃縮水流出側Ｙに向けて、線材の交点数密度が一定領域の部分が複数あり（図１（Ｂ）ではｘ領域、ｘｙ領域、ｙ領域の３つ）、原水流入側Ｘの領域部分、例えばｘｙ領域の交点数密度は、隣接する濃縮水流出側Ｙの領域部分、図１（Ｂ）ではｙ領域の交点数密度より必ず低い場合を言う。従って、ｘ領域の交点数密度は、ｘｙ領域の交点数密度より低い。なお、図１（Ａ）、（Ｂ）共に原水の流れ方向に対する直角方向においては、同じ交点数密度である。また、図１（Ａ）、（Ｂ）共に、原水流入側直後の僅かな部分（原水スペーサーの全長Ｌの５ないし１０％）は、同じ交点数である低密度領域とすることが好ましい。
【００１９】
前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５０，０００以上、３００，０００以下、好ましくは１ｍ^２当たり５０，０００以上、２００，０００以下である。交点数密度が５０，０００未満では、乱流効果が不十分で、水質の極端な低下を招いてしまう。交点数が３００，０００を越えると、通水差圧が極端に上昇してしまい、所定厚さのスペーサーを製作することが困難となる。交点数密度が最も高くなる部分とは、図１（Ａ）に示すような交点数密度が漸次増加する場合、濃縮水流出側の端部から原水スペーサーの全長Ｌ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言う。また、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５００以上、５０，０００未満、好ましくは１ｍ^２当たり５００以上、２０，０００未満である。５００未満では、原水流路が十分に確保できない。一方、５０，０００以上ではエレメントの濃縮水流出側が高密度になっていることと合わせて、通水差圧が極端に上昇すると共に、入口側への濁質の蓄積が顕著になってしまう。交点数密度が最も低くなる部分とは、図１（Ａ）に示すような交点数密度が漸次増加する場合、原水流入側の端部から原水スペーサーの全長Ｌ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言う。
【００２０】
本発明において用いられる原水スペーサーの網目の形状としては、特に制限されないが、ひし形、四角形、六角形、楕円形および波形などが挙げられ、その線材同士の交差形態としては、特に制限されず、線材同士を織らずに接合した形態、平織りによる交差形態およびあや織りによる交差形態などが挙げられる。本発明において、交点とは、第１線材１１及び第２線材１２とが交わる点を言うが、例えば第１線材１１及び第２線材１２が波形の場合における交点のように、第１線材と第２線材が少し重なる部分を有するものであってもよい。また、第１線材及び第２線材の断面形状としては、特に制限されないが、例えば円形、三角形、四角形などが挙げられる。また、第１線材及び第２線材は同一寸法、同一断面形状のものが使用される。
【００２１】
原水スペーサーの厚さは、第１線材の径と第２線材の径を合わせたもの、若しくはそれよりも若干薄いものであり、０．４〜３．０ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍ未満の範囲である。厚さが０．４ｍｍ未満では、通水差圧の上昇を招くと共に、交点数密度に係らず濁質の蓄積が生じ易くなる。一方、厚さが３．０ｍｍを越えると、スパイラル状にした場合、１エレメント当たりの膜面積が小さくなり過ぎる。また、原水スペーサーの材質としては、特に制限されないが、ポリプロピレンやポリエチレンが、成形性やコスト面から好ましい。また、原水スペーサーの製造方法は、特に制限されず、公知の方法を適用できるが、押出成形法がコスト面び精度面からも好ましい。
【００２２】
本発明のスパイラル型膜エレメントは、透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を前記網目状原水スペーサーと共に巻回してなる。巻回しは、１枚の袋状の分離膜を巻回したものであっても、複数の袋状の分離膜を巻回したもののいずれであってもよい。本発明のスパイラル型膜エレメントは精密濾過装置、限外濾過装置及び逆浸透膜分離装置などの膜分離装置に使用することができる。逆浸透膜としては、食塩水中の塩化ナトリウムに対する９０％以上の高い除去率を有する通常の逆浸透膜、及び低脱塩率のナノ濾過膜やルーズ逆浸透膜が挙げられる。ナノ濾過膜やルーズ逆浸透膜は脱塩性能を有するものの、通常の逆浸透膜よりも脱塩性能が低いもので、特にＣａ、Ｍｇ等の硬度成分の分離性能を有するものである。なお、ナノ濾過膜とルーズ逆浸透膜はＮＦ膜と称されることがある。
【００２３】
本発明の分離膜モジュールの例である逆浸透膜モジュールは、前記スパイラル型膜エレメントを１個備える第１の形態に係る逆浸透膜モジュール、及びスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に複数個連結してなる第２の形態に係る逆浸透膜モジュールの２通りがある。第１の形態に係る逆浸透膜モジュールに用いる原水スペーサーは前述のものが使用される。一方、第２の形態における複数枚の原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、該逆浸透膜モジュール基準として、原水の流れ方向に沿って漸次増加するか、または断続的に増加するものである。以下に、第２の形態に係る逆浸透膜モジュールの原水スペーサーにおいて、第１の形態に係る逆浸透膜モジュールの原水スペーサーと異なる点についてのみ主に説明する。この第２の形態における原水スペーサーの交点数密度の変化の状態を図２を参照して説明する。図２（Ａ）は２個のスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に連結してなる逆浸透膜モジュールの模式図、（Ｂ）及び（Ｃ）は該エレメントで用いられる原水スペーサーの模式図である。図２中、逆浸透膜モジュール２０は原水流入側Ｘよりスパイラル型膜エレメント２１ａ、２１ｂを連結して装着したものであり、スパイラル型膜エレメント２１ａで用いられる原水スペーサーを（Ｂ）及び（Ｃ）では右側に、スパイラル型膜エレメント２１ｂで用いられる原水スペーサーを（Ｂ）及び（Ｃ）では左側にそれぞれ示したものである。すなわち、図２（Ｂ）の形態は逆浸透膜モジュール基準として原水の流れ方向に沿って漸次増加するものの例示であり、図２（Ｃ）の形態は逆浸透膜モジュール基準として原水の流れ方向に沿って、断続的に増加するものの例示である。
【００２４】
図２（Ｂ）において、スパイラル型膜エレメント２１ａの原水スペーサー１ａ及びスパイラル型膜エレメント２１ｂの原水スペーサー１ｂは、この２枚があたかも連続する原水スペーサーの如く、原水流入側Ｘから濃縮水流出側Ｙに向けて、複数の第１線材１１と複数の第２線材１２で形成される交点数が低密度から高密度に連続的に変化するものである。交点数密度の他の変化形態を示す図２（Ｃ）において、スパイラル型膜エレメント２１ａの原水スペーサー１ａは、線材の交点数密度が一定で且つ低密度であり、スパイラル型膜エレメント２１ｂの原水スペーサー１ｂは、線材の交点数密度が一定で且つ高密度である。なお、図２（Ｃ）における原水スペーサー１ａ、１ｂにおいて、線材の交点数密度が一定領域の部分が複数存在するものであってもよい。この場合、原水流入側Ｘの領域部分の交点数密度は、隣接する濃縮水流出側Ｙの領域部分の交点数密度より必ず低くなるようにする。また、第２の形態に係る逆浸透膜モジュールの原水スペーサーにおいて、交点数密度が最も高くなる部分及び最も低くなる部分の具体的数値は前述の第１の形態に係る原水スペーサーの数値範囲と同様であるが、交点数密度が漸次増加する場合、交点数密度が最も高くなる部分は、濃縮水流出側の端部から複数枚の原水スペーサーの合計長さ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言い、交点数密度が最も低くなる部分は、原水流入側の端部から複数枚の原水スペーサーの合計長さ（原水の流れ方向）の５ないし１０％相当の領域を言う。
【００２５】
本発明の第２の形態に係る逆浸透膜モジュールとしては、例えば図３に示す構造を有する逆浸透膜モジュールが挙げられる。図３に示したように、透過水集水管３０の外周面に袋状の逆浸透膜３１を原水スペーサーと共にスパイラル状に巻きつけ、その上部を外装体３２で被覆する。そしてスパイラル状に巻きつけた逆浸透膜３１がせり出すのを防止するために、数本の放射状のリブ３３を有するテレスコープ止め３４が両端に取り付けられている。これらの透過水集水管３０、逆浸透膜３１、外装体３２、テレスコープ止め３４でひとつのスパイラル型膜エレメント３５を形成し、夫々の透過水集水管３０をコネクタ（図示せず）で連通して、ハウジング３６内にスパイラル型膜エレメント３５を複数個装填する。なお、スパイラル型膜エレメント３５の外周とハンジング３６の内周の間に隙間３７が形成されるが、この隙間３７をブラインシール３８で閉塞してある。なおハウジング３６の一端には原水をハウジング内部に流入するための原水流入管（図示せず）、また他端には透過水集水管３０に連通する処理水管（図示せず）および非透過水管（図示せず）が付設され、ハウジング３６、その内部部品および配管（ノズル）等で逆浸透膜モジュール３９が構成される。
【００２６】
このような構造の逆浸透膜モジュール３９で原水を処理する場合は、ハウジング３６の一端からポンプを用いて原水を圧入するが、図３において矢線で示したように原水はテレスコープ止め３４の各放射状のリブ３３の間を通って最初のスパイラル型膜エレメント３５内に侵入し、一部の原水はスパイラル型膜エレメント３５の膜間の原水スペーサーで区画される原水流路を通り抜けて次のスパイラル型膜エレメント３５に達し、他部の原水は逆浸透膜３１を透過して透過水となり当該透過水は透過水集水管３０に集水される。このようにしてスパイラル型膜エレメント３５に次々に原水が通り抜けて、逆浸透膜を透過しなかった原水は濁質及びイオン性不純物を高濃度で含む濃縮水としてハウジング３６の他端から取り出され、また逆浸透膜を透過した透過水は透過水として透過水集水管３０を介してハウジング３６外に取り出される。
【００２７】
本発明の実施の形態における逆浸透膜装置を図４を参照して説明する。図４は本例の逆浸透膜装置のフロー図である。図４中、逆浸透膜装置４０は、原水供給ポンプ４１と第１弁ｐを接続する原水供給第１配管４２と、第１弁ｐと本発明の交点数密度が増加する逆浸透膜モジュール４０Ａを接続する原水供給第２配管４３と、逆浸透膜モジュール４０Ａと、逆浸透膜モジュール４０Ａの透過水側に接続される弁ｓを有する透過水流出配管４４と、原水供給第１配管４２と逆浸透膜モジュール４０Ａの濃縮水流出側を接続する濃縮水流出第２分岐配管４５１と第２弁ｏを有する流れ方向転換用配管４５と、原水供給第２配管４３から分岐し、原水の流れ方向を逆方向とした場合の濃縮水が流出する弁ｑを有する濃縮水流出第２分岐配管４２１と、を備える。また更に濃縮水流出第２分岐配管４５１途中の弁ｒと、原水供給ポンプ４１の吐出側の原水供給第１配管４２から分岐する弁ｎを有するブロー配管４２２を備える。本例の逆浸透膜装置４０に直接供給される原水としては、工業用水、水道水及び回収水が挙げられる。原水の濁度としては、特に制限されないが、濁度２度程度であっても短期間に通水差圧が上昇することはない。また、原水には原水中に砂粒などの粗大粒子を含む場合、予め目の粗いフィルターを通した処理水やスケールやファウリングを防止するための分散剤を添加したものも含まれる。分散剤の添加により、原水スペーサーや膜面への濁質の蓄積を一層抑制することができる。分散剤としては、例えば市販品の「ｈｙｐｅｒｓｐｅｒｓｅ　ＭＳＩ３００」、「ｈｙｐｅｒｓｐｅｒｓｅ　ＭＤＣ２００」（共に、ＡＲＧＯ　ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ社製）が挙げられる。本発明の逆浸透膜装置によれば、従来、原水中の濁質を除去する目的で用いられていた凝集沈殿処理、濾過処理及び膜処理などの前処理装置の設置を省略することができる。このため、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が図れる点で画期的な効果を奏する。
【００２８】
次に、本例の逆浸透膜装置４０を用いて原水を処理する方法を説明する。先ず、第２弁ｏ、弁ｑ、ｎは閉、弁ｒはモジュール内を所定の圧力となるように調整され、第１弁ｐ及び弁ｓは開とする。原水は原水供給ポンプ４１により逆浸透膜モジュール４０Ａに供給される。原水は逆浸透膜モジュール４０Ａで処理され、濃縮水を濃縮水流出第１分岐配管４５１から得ると共に透過水流出配管４４から透過水を得る。この原水処理において、エレメントに装着された原水スペーサーは前述の如く、入口側の交点数密度が低いものであるため、原水中の濁質等の浮遊物質は入口側だけではなく、中央部及び濃縮水流出側にも蓄積する。通常交点数密度がどの部分も同じである原水スペーサーにおいては、入口側への濁質の蓄積が顕著であるため、このように交点数密度を原水の流れ方向に沿って増加させることによって、原水スペーサー全体に亘って、濁質の蓄積が均一化される。
【００２９】
このような運転を継続すると、速度は遅くても濁質の蓄積が顕著となり、通水差圧が上昇してしまう。このような場合、原水の処理運転を停止し、フラッシング工程を行なう。原水の処理運転の停止は、先ず始めに原水供給側の圧力を抜くことが好ましい。圧力を抜くには弁ｎの開放により行なう。この場合、透過水側の弁ｓは開としておく。原水供給側の圧力を抜くことで、それまで膜面を押さえ付けていた圧力が抜けるため、膜が若干浮くことになり、膜面及び原水スペーサーに蓄積する濁質を浮遊させることができる。圧力を抜く方法としては、特に制限されないが、瞬間的に、好ましくは１秒以内に弁が全開になるようにする。瞬間的に圧抜きをする方が、膜を浮かせ易く、また水撃作用による濁質排除効果も期待できる。また、圧力を抜く方法としては、濃縮水流出第２分岐配管４２１に付設した弁ｑを用いることができる。このように、圧力を弁ｑから抜く場合は、ブロー配管４２２と弁ｎとを省略することができる。また、透過水側の弁ｓを開とするのは、弁ｓが閉では膜間差圧がなくなり、膜を押さえ付けている力がなくなるため、例え原水供給側の圧力を抜いたとしても、膜が浮くことがないからである。原水供給側の圧力を抜いた後、弁ｎ、第１弁ｐ、弁ｓ及び弁ｒは閉、第２弁ｏ及び弁ｑを開とする。そして、透過処理における原水供給流量の約３倍流量の原水を急速に逆浸透膜モジュール内に濃縮水流出側より供給する。このフラッシングにより、原水スペーサー全体に亘り均一に蓄積した濁質は剥がれ易くエレメント外へ効率的に排出される。直前まで流れていた原水の流れ方向と同じ方向にフラッシングすると、多くの濁質は除去されるものの、交点部分に蓄積していた濁質はより押し付けられ、交点部分に強固に付着することになる。そして強固に付着した状態が長時間続くと、もはや物理的手段では除去できなくなり好ましくない。
【００３０】
前記フラッシングは、両方向から交互に２回以上、５回以下のフラッシングを行なうことが好ましい。フラッシング回数が１回では一方向のみのフラッシングとなり洗浄効果が十分ではなく、経時的に濁質が蓄積してしまう。一方、５回を越えると排水する水が多くなり、回収率の低減につながる。また、フラッシングの１回当たりの時間は、特に制限されないが、３０秒〜１２０秒が好ましい。３０秒未満では洗浄効果が不十分であり、１２０秒を越えるとブロー時間が長く、回収率の大幅な低下となる。また、フラッシングの際、圧縮空気を原水中に供給してもよい。圧縮空気を原水に混入させることにより、洗浄効率が一層高まる。圧縮空気の供給量は、特に制限されないが、原水と空気との体積割合が２：１〜１：２とするのが好ましい。
【００３１】
フラッシングを所定時間行なった後は、再度原水の処理を行なう。この場合、原水の流れ方向は、フラッシング工程の直前まで流れていた原水の流れ方向と同じ方向である。すなわち、第２弁ｏ、弁ｑ、ｎは閉、弁ｒはモジュール内を所定の圧力となるように調整され、第１弁ｐ及び弁ｓは開とし、原水は逆浸透膜モジュール４０Ａで処理される。このように、原水処理→フラッシング→原水処理→フラッシングを順次繰り返す。原水処理時間としては、１時間〜２４時間、好ましくは１時間〜１２時間である。原水処理時間が１時間未満であると切替弁の切替回数が多くなり、切替弁の寿命を極端に低下させると共に、回収率の低下につながる。また、２４時間を越えると、蓄積した濁質の除去効果が低減してしまう。原水処理からフラッシングに切り替える形態としては、毎回同じ時間経過後に流れ方向を変更する方法、所定の通水差圧に達した時点で変更する方法及びこの両者を組合わせて変更する方法が挙げられる。
【００３２】
また、本例の逆浸透膜装置においては、逆浸透膜モジュール４０Ａの後段に、逆浸透膜モジュール４０Ａの透過水を更に処理する後段逆浸透膜モジュールを配置してもよい（不図示）。この場合、後段逆浸透膜モジュールには濃縮水を原水供給ポンプの前に戻す戻り配管を備えることが好ましい。このような装置形態においては前段逆浸透膜モジュール４０Ａは本発明に係る逆浸透膜装置であり、後段逆浸透膜モジュールは従来の逆浸透膜装置である。このような逆浸透膜装置においては、前段逆浸透膜モジュール４０Ａで得られた一次透過水は後段逆浸透膜モジュールで処理され、透過水流出配管から二次透過水を得ると共に、二次濃縮水は戻り配管から原水供給ポンプの前に戻される。この二次濃縮水は既に前段逆浸透膜モジュール４０Ａで脱塩された透過水を後段逆浸透膜モジュールで濃縮されたものであり、原水に比べて導電率が低い。このため、二次濃縮水の全量を循環させることが可能となり、水回収率を向上させることができる。また、逆浸透膜装置は、従来型の装置で使用されている濁質除去のみを目的とした前処理装置の代わりに、本発明における濁質の除去が前記フラッシングで容易に行なえる逆浸透膜モジュールを前段に使用しているので、実質的に逆浸透膜を２段使用することになる。従来型の装置における前処理装置は当然脱塩機能がないので、逆浸透膜装置は従来型の逆浸透膜装置と比較して透過水の水質も格段に優れる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
濁度２度、導電率２０ｍＳ／ｍの工業用水を下記仕様の逆浸透膜モジュールＡに通水し、下記運転条件下において、２０００時間の耐久運転を行った。逆浸透膜モジュールＡの性能評価は経時的に変化する通水差圧（ＭＰａ）を測定することで行った。その結果を図７に示す。
【００３４】
（逆浸透膜モジュールＡ）
図１（Ａ）に示す原水の流れ方向に沿って交点数が漸次増加する網目状のもので、交点数密度は交点数密度が最も高くなる部分が原水スペーサー１ｍ^２当たり２００，０００、交点数密度が最も低くなる部分が原水スペーサー１ｍ^２当たり１，０００、厚さが１．０ｍｍの原水スペーサーＡを作製した。次いで、この原水スペーサーＡを用いてスパイラル型膜エレメントＡを作製し、更に図３に示すような構造の逆浸透膜モジュールＡを作製した。但し、該逆浸透膜モジュールＡは１個のスパイラル型膜エレメントを収納した１個のモジュールとした。
（運転条件）
操作圧力が０．７５ＭＰａ、濃縮水流量が２．７ｍ^３／時間、水温が２５℃である。
【００３５】
実施例２
逆浸透膜モジュールＡの代わりに、下記に示す仕様の逆浸透膜モジュールＢを用いた以外、実施例１と同様の運転方法で２０００時間の耐久運転を行った。逆浸透膜モジュールＢの性能評価は実施例１と同様、経時的に変化する通水差圧（ＭＰａ）を測定することで行った。その結果を図７に示す。
（逆浸透膜モジュールＢ）
原水スペーサーＡに代えて、図１（Ｂ）に示す交点数が断続的に増加する網目状のもので、交点数密度はｘ領域（交点数密度が最も低くなる部分）が原水スペーサー１ｍ^２当たり１，０００、ｘｙ領域が原水スペーサー１ｍ^２当たり５，０００、ｙ領域（交点数密度が最も高くなる部分）が原水スペーサー１ｍ^２当たり２００，０００、厚さが１．５ｍｍの原水スペーサーＢを用いた以外、前記逆浸透膜モジュールＡと同様の方法で作製した。なお、ｘ領域、ｘｙ領域及びｙ領域の原水の流れ方向における長さ寸法は同一である。
【００３６】
比較例１
スパイラル型膜エレメントＡの代わりに、８インチエレメントＥＳ−１０（日東電工社製）を用いた以外、実施例１と同様の方法で行った。すなわち、濁度２度、導電率２０ｍＳ／ｍの工業用水を、前処理装置で処理することなく直接従来の市販の逆浸透膜モジュールで処理した。その通水差圧の経時的変化を図７に示す。なお、８インチエレメントＥＳ−１０（日東電工社製）は格子の網目状であり、交点数密度は全体に亘り均一であり、交点数は原水スペーサー１ｍ^２当たり約１４０，０００、厚さ０．８ｍｍである。
【００３７】
実施例１及び２においては、交点数密度が入口側より原水の流れ方向に沿って増加する特定の原水スペーサーを装着した逆浸透膜モジュールを用いたため、１０００時間経過後から通水差圧が徐々に増加して、２０００時間後、通水差圧は約０．１ＭＰａとなった。一方、比較例１は約８００時間で通水差圧が急激に上昇し、透過水量がゼロになるまで濁質の付着が激しいものであった。このように、通水差圧の上昇速度は実施例の原水スペーサーを用いた逆浸透膜モジュールの方が、比較例のものと比べて遅いことが判る。なお、実施例１、２共に運転時間２０００時間に至るまでの間、フラッシングを行なっていないが、例えば運転１２時間毎に１回の割合でフラッシング（両方向から交互に２回で計６０秒）を行なうことにより、通水差圧が約０．１ＭＰａとなる時間を更に延長することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のスパイラル型膜エレメントによれば、従来の網目状原水スペーサーを装着するスパイラル型分離膜モジュールでは、原水中の濁質が蓄積するのは主に原水スペーサーの入口側であるため、通水差圧の上昇速度が速かった。これに対して本発明は濁質の蓄積が原水スペーサー全体に亘り均一であるため、通水差圧の上昇速度が遅くなる。このため、フラッシングを行なう回数が、通常よりも少なくて済み、その結果濃縮水をブローする時間が短くなると共に、透過水が得られない時間も短くなるため、回収率は向上する。また、本発明の分離膜モジュールによれば、膜モジュールに装着されたスパイラル型膜エレメントの原水スペーサーは原水流入側から濃縮水流出側にかけて必ず漸次増加するか、または断続的に増加しており、前記効果を確実に奏することができる。また、水処理施設内に搬入し易く、且つそのままの形態で処理ラインに装着できる。また、本発明の分離膜装置は、海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る場合、工業用水や水道水など逆浸透膜スパイラル型エレメンにとって濁度の高い原水を前処理なしで供給でき、システムの簡略化、設置面積の低減、低コスト化が可能となり、産業上の利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態例における原水スペーサーの一部を示す図である。
【図２】（Ａ）は逆浸透膜モジュールの模式図、（Ｂ）及び（Ｃ）は他の実施の形態例における原水スペーサーの一部を示す図である。
【図３】本実施の形態例における逆浸透膜モジュールの構造の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における逆浸透膜装置の一例を示す図である。
【図５】従来の逆浸透膜モジュールの概略図である。
【図６】（Ａ）は従来の網目状の原水スペーサーにおける濁質の蓄積状態を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の符号Ｚ部分の拡大図である。
【図７】実施例及び比較例における通水差圧の経時的変化を示す。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、５５、６０　　　原水スペーサー
１１　　　　第１線材
１２　　　　第２線材
２０、３９、５０　　　　　逆浸透膜モジュール
２１ａ、２１ｂ、３５　　　　　スパイラル型膜エレメント
３０、５４　　　　　透過水集水管
４０　　　　逆浸透膜装置
４１　　　　原水供給ポンプ
４２　　　　原水供給第１配管
４３　　　　原水供給第２配管
４４　　　　透過水流出配管
４５　　　　流れ方向転換用配管
５１、６６　　　　　分離膜
ｐ　　　　　第１弁
ｏ　　　　　第２弁

Claims

透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、原水の流れ方向に沿って、漸次増加するか、または断続的に増加するものであることを特徴とするスパイラル型膜エレメント。
前記交点数密度は、該交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５０，０００以上、３００，０００以下であり、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５００以上、５０，０００未満であることを特徴とする請求項１記載のスパイラル型膜エレメント。
請求項１又は２項記載のスパイラル型膜エレメントを１個備えることを特徴とする分離膜モジュール。
透過水集水管の外周面に袋状の分離膜を網目状原水スペーサーと共に巻回してなるスパイラル型膜エレメントを原水の流れ方向に複数個連結してなる分離膜モジュールであって、該原水スペーサーは、原水スペーサーを構成する線材の交点数密度が、該分離膜モジュール基準として、原水の流れ方向に沿って漸次増加するか、または断続的に増加するものであることを特徴とする分離膜モジュール。
前記交点数密度は、前記交点数密度が最も高くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５０，０００以上、３００，０００以下であり、交点数密度が最も低くなる部分において、原水スペーサー１ｍ^２当たり５００以上、５０，０００未満であることを特徴とする請求項４記載の分離膜モジュール。
請求項３〜５のいずれか１項記載の分離膜モジュールを備える分離膜装置。