JP2004522569A - クロスフロー濾過材およびカートリッジ - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、一体型支持層を有するシート状形態の半透膜材料であって、分離のためのクロスフロー濾過に特に有用であるようにその平面内での透過液フローを優れたものにする半透膜材料を作製する方法と、そのような膜を組み込んだ構造を特に利用することができる新規なクロスフローカートリッジに関する。
【背景技術】
【0002】
本発明は主に、クロスフロー濾過用のシート状の膜の透過液側に使用される基材であって、その平面内での液体輸送が優れた材料、例えばスパイラル型半透膜カートリッジの回収領域へのフローが優れた材料が提供されるような基材を改善することに関する。そのようなクロスフロー材料は、逆浸透(RO)、ナノ濾過(NF)、または限外濾過(UF)プロセスに特に有用と考えられ、より詳細には、これらの材料は、クロスフロー濾過用カートリッジを作製するためのより効率的な方法を提供すべきであり、改良されたカートリッジが得られるべきである。
【0003】
液体と第2の成分、例えば別の液体や溶解しまたは懸濁した固体などの第2の成分とを分離するためのRO膜およびUF膜は長年知られており、そのようなROおよびUFプロセスで使用するための様々な半透膜が開発されている。ごく最近になって半透性NF膜が開発され、これら3種のプロセスに有用な膜を以下一般にクロスフロー(CF)膜と呼ぶが、これは例えばスパイラル型カートリッジなど、フローが半透膜表面を通過して濃度の高いフローが供給流路の反対側の端部から引き出されるクロスフロー濾過プロセスでの使用を目的とすることを示すものとする。これらの膜は、そのような分離を行うのに満足のいくものであるが、潜在的な膜性能が実現されるよう、何らかのカートリッジまたはフィルタモジュールに組み込まなくてはならない。従来のCF濾過モジュールのいくつかの欠点に注目してきたが、そのいくつかは、必要とされる液体流パターンを提供するための、半透膜とこの半透膜に隣接ししばしば接触するその他の材料層との特定の組合せから生じている。
【0004】
一例として、スパイラル型のROカートリッジは、個別に流延させた半透膜用の基材および透過液キャリアとして様々な材料を使用しており、その組合せは通常ブライン側スペーサと一緒に巻き付けられて、スパイラル型クロスフローアセンブリを形成する。カートリッジ開発の初期に使用するよう提唱された基材の1つのタイプが開示されており(例えば、特許文献1参照)、多孔質の支持体に取着されたガラスビーズなどの非圧縮性物質の粒子を含んでいた。透過液キャリアとして長年にわたり使用されてきた基材のより一般的なタイプはエポキシ含浸トリコットであり、これは2枚の個別に製造された半透膜の間に単層透過液キャリアとしてしばしば挟まれて使用されるが、これら2枚の半透膜は、適切な基材上に流延され次いでそれらの縁部が接合されてこの透過液キャリアを包むようになされたものである。
【0005】
透過液キャリアは、半透膜の低圧側から透過液を引き出して出口まで運ぶ。一般に、そのようなクロスフロー濾過システムで改善が求められる2つの領域は、(a)透過液の処理量または回収率であり、(b)濾過装置の保全間隔または耐用寿命であり、これらの2つの領域は、ある特定の態様で互いに関連し合っている。例えば透過液の処理量または回収率は半透膜に加えられる圧力に直接関係し、一般に、加えられる圧力が高いほど、透過液が膜の低圧側にフローする速度が速くなる。しかし、より高い圧力はより多くのエネルギーを必要とし、ほとんどの半透膜構造は非常に高い圧力に耐えることができないので、加えられる圧力を制限なく自由に高めることはできない。さらに、ある特定の半透膜に過剰な圧力を加えると、その膜が破れる場合がある。透過液を膜に通すため、すなわち溶液の浸透圧に打ち勝つようにするためだけではなく、透過液をその流路に沿ってスパイラル型カートリッジの回収点まで流すために高圧を使用するときに生じる圧力損失は、ときに側圧損失と呼ばれ、これはすなわち透過液キャリアに沿った、または透過液キャリアを通過する透過液のフローに対する抵抗力である。支持体材料の平面内で液体を流す効率は、以下に述べるようにH値と呼ばれるものを生成するために、より最近になって数字目盛上で測定されている。
【0006】
個別に流延した半透膜に物理的な支持体を設けることにより、引延ばし、たるみ、または破れを防止する他、そのような基材は、典型的なCF濾過モジュールにおいて、透過液に対して回収点まで適切な流路が与えられるように、すなわち透過液キャリアとして常に機能する。例えば、今日広く使用されている典型的なCF濾過システムは、半透膜層と、この半透膜が表面に直接流延される機械式補強またはバギング防止支持層と、主に透過液用の流路を提供する透過液キャリア層とを含んだ3層構成を使用する。今日使用されている一般的な透過液キャリアは、一般にエポキシまたはメラミン被覆されたポリエステルなどの編地であるトリコット材料からなる。
【0007】
そのようなクロスフロー濾過用のスパイラル型半透膜カートリッジを作製するための製造プロセスが示されている(例えば、特許文献2参照)。非常に大まかに言うと、従来は、1枚の透過液キャリア材料12を多孔質回収管8の周りに巻き付けて、そこに追加の複数のリーフを接合していた。この配置構成では、透過液材料のそのような1枚のリーフによって、折り重ねた1枚の半透膜シートとそこに隣接する折り重ねた半透膜シートとが隔てられ、折り重ねた膜の互いに向き合う2分の1の膜表面間には、複数の供給材料シート16が配置される。これらの膜シートは、半透膜46の基層を多孔質フェルト裏層48上に流延して自由上面を残した状態にし、その表面に、ROまたはNF用として薄くてより識別性の高い層を形成することによって形成される。そのようなスパイラル型カートリッジでは、従来から、分離プロセスで処理されるブラインまたはその他の不純な液体を、折り重ねた膜の対向面の間に配置された供給シートを通して軸方向にポンピングすることにより、膜の活性な表面に供給している。これは、予め薄いフェルト支持層上に流延させたポリスルホン系の膜(それ自体はUF能力を有するものであってもよい)表面での界面反応を経てポリアミドから一般に作製されるNFおよびRO膜として、米国全土で広く使用されている構造であることを示している。透過液を濾過要素の一端から軸方向に排出するほぼ類似する構造が示されているが(例えば、特許文献3参照)、封止に問題があることから、商用として広く受け入れられていない。
【0008】
クロスフロー濾過用に設計されたスパイラル型半透膜カートリッジ、すなわち半透膜をシート形態に流延し、次いでスパイラル型カートリッジの一部として、Reemay0601として市販されているDacronポリエステルフェルトなどの第1のフェルト層に結合し、それを樹脂含浸型Dacronポリエステルトリコットに隣接して配置したものが示されている(例えば、特許文献4参照)。トリコット生地は、その遠位表面で交互に並んだチャネルをもたらす平行な幅広のリブと細い溝のアレイを有するよう、特別に形成され、これが同様の表面に接している。このようにカートリッジは、3つの縁部に沿って1つが別のものに結合した複数の膜のエンベロープを含み、そのような2重の基材は互いに対向して、両側の溝またはチャネルと並んだリブと互い違いの状態になり、その結果、透過した液体が容易に中央回収管にフローすることができる開放流路が設けられている。
【0009】
処理フィルタ用の濾材の作製について教示されており(例えば、特許文献5参照)、これは、多孔質不織布支持材を、比較的大きいサイズの細孔が生成されるような性質を有する第1の流延溶液で被覆し、さらにかなり小さいサイズの細孔を有する多孔質材料が生成されるよう設計された第2の流延溶液で被覆する。流延溶液はポリスルホンなどのポリマー材料で形成され、同時に、不織布基材を組み入れた一体化構造が生成されるようゲル化する。複合濾材の作製が教示されており(例えば、特許文献6参照)、中央チャネルに至る同心状の溝を両面に有するポリスルホンディスクの各面を、支持体および排水媒体としての役割を果たすウエットレイドポリエステル不織繊維フェルトで覆い、これをポリアミド繊維多孔質媒体で、次いでスパンボンドポリプロピレン層で覆う。この配置構成全体をアルミニウム板の間に締め付け、次いで溶媒結合させて、隣接する層を基材に接合して複合体構造を得る。
【0010】
透過液キャリアとしてトリコット材料がしばしば広く選択されてきたが、さらに良好な材料、例えば液体のフローに対する抵抗がさらに低い材料などを見出すよう捜し求めるうえで、その他のキャリア材料についても調査が行われており、例えば不織ポリプロピレンキャリアがいくつかの場合に使用されている。UFおよびRO分離プロセスで使用されるスパイラル型膜構造が開示されており(例えば、特許文献7参照)、半透膜がポリプロピレンまたはポリエステルフェルト裏層上に流延され、次いでリブ付き透過液キャリアに結合している。いくつかのポリテトラフルオロエチレン膜をポリエステルトリコットキャリア上に積層して、本発明の配置構成と比較されるクロスフロー構造を設けたが、この構造では、各半透膜エンベロープ内の透過液通路は、ウェブ様マトリックスによって相互接続された平行な円筒形のリブであって、透過液がフローする方向に延びるリブを使用する1対のキャリア層を構成する。
【0011】
このような特別な配置構成はいくつかの限られた領域で有用であることがわかったが、クロス濾過カートリッジの製造業者は一般に、透過液キャリア層を得るのに依然としてトリコットメリヤス生地に頼っている。UFクロスフロー濾過カートリッジで頻繁に使用される材料の1つの組合せは、厚さ約3〜5ミル(約0.08〜0.13mm)のフェルト基材上に流延した一般に厚さ約4ミル(約0.10mm)のポリスルホン膜を含み、これを、概略的に開示されるような(例えば、特許文献2参照)製作方法を使用して、ウェール定格が48、すなわちインチ当たりの糸数が48であるK−1015Hornwoodトリコットなどのトリコット透過液キャリアに結合し、巻いてそのような材料からカートリッジを作製する。
【0012】
CF膜カートリッジにより有利な配置構成、特に経済的な製造が可能なもの、したがって商業上の利益をもたらす配置構成が求められている。
【0013】
【特許文献1】米国特許第3,367,505号
【特許文献2】米国特許第4,842,736号
【特許文献3】米国特許第4,855,058号
【特許文献4】米国特許第3,813,334号
【特許文献5】米国特許第5,500,167号
【特許文献6】米国特許第5,804,280号
【特許文献7】米国特許第4,802,982号
【特許文献8】米国特許第5,750,151号
【特許文献9】米国特許第5,779,847号
【特許文献10】米国特許第4,690,765号
【特許文献11】米国特許第4,614,586号
【特許文献12】米国特許第5,132,059号
【特許文献13】米国特許第6,074,869号
【特許文献14】米国特許第5,258,203号
【特許文献15】米国特許第6,090,411号
【特許文献16】米国特許第3,397,790号
【特許文献17】米国特許第5,266,195号
【特許文献18】米国特許第5,108,604号
【特許文献19】米国特許第5,397,632号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
したがって本発明の目的は、異なる材料で作製された最小限の数の層から構成されたクロスフロー濾過カートリッジであって、非常に低い圧力での操作が可能なごく最近製造されたものも含む、様々なUF、NF、およびRO膜と共に使用可能な十分低い側圧損失を示すカートリッジを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0015】
簡単に要約すると、本発明は、ポリスルホンまたはその他の半透膜が、表面に流延を行う従来からの膜支持基材と透過液キャリアとの両方の役割をする材料の繊維シート上に形成され、またそのシートに一体的に結合するようになる配置構成が提供され、したがって、分離の適用分野で使用されるマルチリーフスパイラル型カートリッジなどのクロスフロー膜カートリッジの製造における、1つの主要なステップが省かれる。このため、隣接する折り重ねたシートからの半透膜パネルの3つの縁部を互いに結合しまたは接着することが、従来は中央回収管に至る透過液通路提供シートを取り囲んだエンベロープが生成されるよう行われてきたが、この製造上の操作が単純化され、さらに、現在製造中に生じる透過液キャリア材料のしわという潜在的な問題も、本質的に回避される。本発明は、シングルリーフやプリーツ付きデザインなど、その他のクロスフローカートリッジの画期的な製作の機会を生む材料も提供する。
【0016】
より詳細には本発明は、表面に流延される膜を支えるだけではなく、別の透過液キャリアをもはや必要とすることがないようにその平面内に優れた透過液流路も提供するポリマー繊維支持材上に、シート形態の半透膜をその場で作製する方法を提供する。平均孔径が約300ミクロン以下の上面または外面が設けられるように適切なポリマー繊維支持材を作製しまたは適切に処理し、適切な溶媒中にポリスルホンなどのポリマー樹脂を含有する溶液をこの上面に流延し、その後溶媒を除去して流延層をゲル化しその場で半透膜を形成する製造方法を使用することが好ましい。そのようなポリスルホン層はUF膜としての役割を果たすことができるが、ROまたはNFの適用分野では、その後、ベース膜としての役割を果たすポリスルホン膜の界面に、より識別性の高い層、例えばポリアミドフィルムを形成する。繊維支持材は、スパイラル型カートリッジなどのクロス濾過カートリッジを、従来からの補助透過液キャリアをそこに結合することなく使用できるよう、そのような液体のフローに対する抵抗がその平面内で十分に低くなるように選択され、したがってクロスフローカートリッジ製作における時間のかかる結合ステップ全体が省かれる。この点で材料は一般に、平面流に対して現在使用されている単一の透過液キャリアのわずか2分の1に等しい透過性を示す必要があるが、その理由は、標準的なカートリッジ構成では、エンベロープが形成されるよう結合が行われる対向する半透膜に添着された同様の層と並べて配置されることになるからである。
【0017】
本発明の別の実施形態で、ポリマー繊維支持体は、スパイラル型カートリッジの1枚のリーフ全体に対して適切な透過液流が供給されるような厚さを有するように選択され、その両面は、平均孔径が以前述べた範囲内になるよう形成される。この実施形態では、例えば支持体ウェブを垂直方向下向きに移動させながら、半透膜を反対側の2面に流延する。次いでこれらの流延層を、例えば水タンクなどの内部で同時にゲル化して一体型クロス濾過リーフを生成するが、これは、わずかに異なる製作方法を使用してクロスフロー濾過カートリッジを生成する1枚または複数枚のフィードスペーサ材料が直接螺旋状に巻き付けられたものである。そのような製作方法は、2つのタイプのシート材料しか取り扱う必要がなく、したがって、いかなる巻付け手順も大幅に単純化され、2枚の材料を使用するだけでシングルリーフスパイラル膜を巻き付けることができる。
【0018】
第1の特定の態様では、本発明は、ポリマー繊維支持体に一体的に結合されたシート形態の半透性ポリマー膜であって、その平面内での透過液フローを優れたものにし、したがってクロスフロー濾過の用途が見出された半透性ポリマー膜を作製する方法を提供し、この方法は、厚さが少なくとも0.1mmである繊維支持体および平均孔径が約300ミクロン以下である上面支持領域を設けるステップと、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を前記繊維支持体の前記上面に流延するステップと、前記溶媒を除去して前記層をゲル化しかつ半透膜を形成するステップとを含み、その結果得られた、繊維支持体に一体的に結合された半透膜の配置構成は、その平面内での液体のフローに対して十分に低い抵抗を示し、補助透過液キャリアに結合することなくクロスフロー濾過用の膜カートリッジで使用することが可能になる。
【0019】
別の特定の態様では、本発明は、一体型ポリマー繊維支持層に結合されたシート形態の半透膜であって、その平面内での透過液フローを優れたものにする半透膜を使用した、スパイラル型クロスフロー濾過カートリッジを作製するための方法を提供し、この方法は、(a)厚さが少なくとも約0.4mmの繊維支持体と、前記繊維支持体の中心とは物理的に異なる1つの表面領域であって、その厚さが少なくとも約0.1mmであり平均孔径が約200ミクロン以下である表面領域を設けるステップと、(b)溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を、前記繊維支持体の前記1つの表面に流延するステップと、(c)前記溶媒を除去して前記層をゲル化し、ポリマー半透膜をその場で前記繊維支持体上に形成するステップと、(d)ステップ(c)の前記生成物を、前記生成物の膜表面と並べて配置した供給通路提供シート材料に関連付けた状態で、かつ別個のいかなる透過液キャリアも存在させない状態で、多孔質回収管の周りに螺旋状に巻き付けて、クロスフロー濾過カートリッジを形成するステップとを含み、その結果得られた、前記繊維支持体に一体的に結合した前記ポリマー膜の配置構成は、その平面内での液体のフローに対して十分に低い抵抗を示し、いかなる補助透過液キャリアにも結合することなくクロスフロー濾過用スパイラル型膜カートリッジで効率的に使用することが可能になる。
【0020】
別の特定の態様では、本発明はクロスフロー濾過用の膜カートリッジを提供し、このカートリッジは、ポリマー半透膜と、その平面内での透過液フローを優れたものにする一体型支持層とを含んだシート形態の半透膜材料を含み、前記一体型支持層は、厚さが少なくとも約0.1mmの繊維支持体シートからなり、前記繊維支持体シートの一主面は、平均孔径が約300ミクロン以下の領域を構成し、前記繊維支持体シートは、約100atm/秒/ml以下のH値として測定される、その平面内の水性流体のフローに関する透過液キャリア効率を有し、前記半透膜は、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を前記繊維支持体シートの前記1つの表面上に流延し、その後前記溶媒を除去して前記流延層をゲル化することによってその表面にその場で形成された結果、前記繊維支持体の前記1つの表面領域に一体的に結合されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
本発明は、クロスフロー濾過プロセスで使用するための、改善されたシート様半透膜材料を提供する。より詳細には、本発明は、そのような材料を作製するための、またそのような材料でクロスフロー濾過カートリッジを作製するための新規な方法を提供し、またそのような材料を組み込むことによって可能になったデザインを有する新規なクロスフロー濾過カートリッジ、特にスパイラル型カートリッジも提供する。
【0022】
従来、クロスフロー濾過装置では、溶液、例えば生理食塩水またはかん水であってしばしばブラインと呼ばれるものが、そのようなカートリッジの螺旋巻きを通って軸方向に送出される。ブラインは半透膜表面を通過し、その出口まで移動する際に水中に徐々に消えていくが、これは水が半透膜を通って浸透する結果である。従来そのような膜は、所望の幅のシート様半透膜を生成し、次いでこれを巻き取って、クロスフローカートリッジの製作に使用されるまでロール形態で保管されるように、比較的薄い層として多孔質強度付与基材上に流延していた。スパイラル型カートリッジを製作する場合、そのようなロールからのシート形成は、何枚かのフィードスペーサ材料シートと何枚かの透過液キャリア材料シートに関連し、中央の管の周りに巻き付けられてスパイラル型カートリッジを形成するが、その代表的な製作方法が教示されている(例えば、特許文献2参照)。本発明は、スパイラル型カートリッジなどのクロスフロー濾過膜カートリッジを製造するためのこの製作プロセスを単純化するが、これは、適切な繊維支持材の表面に直接半透膜を流延することによって、すなわちその平面内での液体のフローに対する抵抗がそれ自体は低く、したがって許容可能な程度に小さい圧力低下が生じるだけで従来の多孔型中央管などの回収管に透過液を輸送する適切な能力を有するものを作製することによって実施される。
【0023】
前述の事項に留意し、高バルクポリマー材料とも呼ばれてその内部全体にわたるオープンスペースのパーセンテージが高い材料から繊維支持体を選択し、したがって液体は、その平面内を自由にフローすることができる。一般に、ポリエステル、ポリアミド、芳香族ポリアミド、すなわちNomexなどのポリアラミド、ポリエーテルスルホン、セルロールエステル、アクリルポリマー、フルオロポリマー、およびその他の適切なポリマー繊維であって本質的に親水性である任意のタイプのポリマー繊維を使用することができ、いくつかの例として、ナイロンやポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンがある。これらの様々な繊維の中で、そのコストおよび全体的な性能から、Dacron繊維などのポリエステル繊維が一般に好ましい。多孔質支持体は不織材料であることが好ましく、エアレイまたはウォータレイで処理してよく、あるいはメルトブロー法およびスパンボンド法などのプロセスによって形成してもよい。例えば、スパンボンド熱可塑性繊維材料が記載されている(例えば、特許文献8参照)。この繊維は真っ直ぐでよく、または結果的に得られる生成物の嵩が増すように、またオープンスペースが最大になるようにけん縮することができる。2次元または3次元的にけん縮させた繊維は濾過繊維の技術分野で周知である(例えば、特許文献9参照)。繊維のサイズまたは直径は、じつに様々に変えることができる。デニールという用語は、繊維の太さを指すのにしばしば使用され、非常に一般的に言うと、ポリマー繊維支持材に使用される繊維のデニールは、約10ミクロンから約40ミクロンまで様々でよく、より大きい直径、例えば約30から約40ミクロンの繊維は本質的にオープンスペースのパーセンテージが高いので一般に好ましい。
【0024】
当然ながら、圧力を比較的低く保つために適切な空隙率を付与する他、多孔質支持材構造の完全性は、クロスフロー濾過要素の耐用期間中動作し続けるよう十分なものでなければならず、したがって繊維構造は、圧密化に対して適切な抵抗力を示すべきである。例えばスパイラル型クロスフロー濾過要素では、多孔質支持体は、半透膜に供給される溶液の浸透圧を克服しかつその膜に透過液を通するのに必要とされる高圧下にそれぞれ存在する2枚の半透膜材料の間に事実上挟まれる、と理解することができる。したがって、動作中のカートリッジ内の膜の供給側と透過液側との差圧により、透過液キャリアとしての役割をする内部繊維支持体シートの構造の完全性によって持ちこたえる必要がある支持体シートの両主面を支える力が生じる。この機能は、当然ながら現行のクロスフロー濾過プロセスでは一般的であり、使用される繊維材料にエポキシまたはメラミン樹脂の希釈溶液をしばしば含浸する。このようにして、隣接する繊維をその交差する点で互いに接合し、したがって当技術分野で周知のように、材料の所望の開放性が著しく損なわれることなく圧密化に対する抵抗力が大幅に増大する。
【0025】
繊維支持体シート様材料を選択したら、その片面または両面を処理することにより、その特性に修正を加え、その表面に直接半透膜を流延するのに適するものにする。従来のスパイラル型膜カートリッジを作製しようとする場合、繊維支持体の片面のみを処理し、その後この表面、すなわち連続ウェブの上面として向きが定められた表面は、そこに製造ライン流延装置で流延された半透膜を有することになる。半透膜は、一般に、透過液を非常に容易に通過させるのに十分なサイズの細孔を含むポリマー材料であり、一般にこの膜の孔径は、約1から約5,000ナノメートルの範囲になる。一般に半透膜は、UF膜として適切な特徴を有し、すなわち一般にその自由表面に非対称性を有するものであるが、これは絶対的な基準ではない。その理由は、微孔質ベースの膜をまず繊維支持体の表面に流延した後、その上面に薄くて識別性の高いフィルムを形成することにより、取引上一般に薄膜複合膜(thin film composite membrane)と呼ばれてNFまたはRO特性を有するものを形成できるからである。そのような微孔質またはUF層をROまたはNF膜用のベース膜として使用する場合、従来はその上に、周知の界面縮合技法を使用して薄くて識別性の高いフィルムを形成する。例えばポリアミドROまたはNFフィルムを形成しようとする場合、まずベース膜をアミン水溶液で被覆し、その後、塩化トリアシルを含有する有機溶液を用いて界面反応を行えばよい。RO膜を両面に形成しようとする場合はそれらを順次形成することが好ましいが、これは主に、容易に入手可能な流延装置如何によると考えられる。
【0026】
そのようなベース膜を設けるために使用することができるポリマーの例には、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンエーテル、およびポリフッ化ビニリデンが含まれる。ポリスルホンが好ましく、その自由上面に若干の非対称性を有するUF膜を設けるために今日世界中で広く使用されており、さらにROまたはNF膜用のベース膜として機能させるのにも適している。一般にポリスルホンの平均分子量は、約20,000から約200,000の間であり、約50,000から約150,000の間が好ましい。当然ながら、処理済みの繊維支持材の表面にUF膜を流延し、次いで薄膜を付加してRO膜を設ける代わりに、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、または1950年代および60年代に逆浸透が提案され始めた初期の頃から日常的に使用されているその他の材料のいずれかを使用して、従来の非対称性RO膜を支持材表面に直接流延することができる。
【0027】
そのような半透性UF膜の流延は当技術分野で周知であり、教示されている(例えば、特許文献10、11、および12参照)。繊維支持材は、実質上任意の所望の幅を有することができ、製造ラインで被覆する場合、経済的な製造を行うために約12インチ(約30cm)から約60インチ(約150cm)の幅をしばしば使用する。被覆される材料ウェブの幅は、一般に少なくとも約12インチ(30cm)になるが、特定の目的で望みに応じてより狭いウェブを使用することができないという理由はない。
【0028】
両面半透膜構造を作製することが望ましい場合、まず繊維支持体シートの両面を、所望の表面特性が得られるように処理する。その後、以下に述べるように、半透膜を繊維支持体の対向する両面に流延する。これは順次行うことができるが、同時に、または少なくともほぼ同時に行って、経済的な製造を実現することが好ましい。特に好ましい実施形態では、流延は、以下に述べる目的で、繊維支持体の幅よりも長いトラフを使用して垂直方向に行う。
【0029】
所望の開放空隙率を有しその平面内での液体のフローに対する抵抗が低い繊維支持材の表面は、その表面領域を物理的に変化させることによって、またはその表面領域を適切に補うことによって処理する。表面領域は、熱可塑性ポリマー繊維に熱を加えることによって変化させることができ、その後繊維表面を稠密化することになる。熱は様々な方法で加えることができ、例えば加熱したローラでカレンダ掛けし、あるいは炎、放射、または対流を使用して直接加える。熱可塑性繊維不織材料の上面領域も、例示されるように(例えば、特許文献13参照)、酸素またはヘリウムプラズマに曝すことによって稠密化することができる。あるいはこの表面は、メルトブロー法などにより追加の材料を補うことによって、すなわち既存の表面に適合しかつ既存の表面に接合するよう溶融する粒子状ポリマーまたはポリマーフィルム材料の薄層を使用することによってその特性に修正が加えられるよう処理することができ、所望の特性を有する表面領域を形成することができる。あるいは表面処理は、後に繊維支持体の表面領域になる、直径が小さい繊維の不織繊維材料でできた薄いスクリムの適切な永久接合を利用することができる。適切な接合は、熱可塑性表面の永久接合が互いに行われるように、例えばカレンダ掛けによって、溶媒または接着結合によって、あるいは熱を加えることによって、機械的、化学的、または物理的に行うことができる。
【0030】
このような処理は、強力で均一な表面であって泡立ち点が十分に低く細孔径分布が狭い表面が繊維支持体に得られるよう実施され、その結果、流延溶液のブリードを最小限に抑え、かつ透過液キャリア機能を果たす繊維支持体内部への表面を介した染み出しを最小限に抑えながら、半透膜を流延するポリマー材料の良好な接着が促進されるようになる。非常に一般的に言うと、得られる表面の平均孔径は約1から約300ミクロンの間にあるべきで、この細孔は、約0.1ミクロンから約500ミクロンに及ぶ。平均孔径は、約200ミクロン以下が好ましい。表面領域の実際の厚さはかなりの量で変えることができ、メルトブローした表面を使用する場合は、例えば約1から5ミクロンと比較的薄い。しかし、一般にその厚さは約0.1mmから約1mmの間になり、スパイラル型膜カートリッジの設計で周知の一般的な空間要件を考慮しながら妥当な範囲内で、わずかに厚い表面領域を使用することができる。一般に表面領域の厚さは、繊維支持体の厚さが少なくとも約1mmであるとき、約0.1から約0.3mmの間になる。
【0031】
透過液キャリアを通る液体のフローに対する抵抗は、H値と呼ばれる基準によりたびたび示される。H値は、本明細書に添付される補遺Aで定義され、気圧/秒/mlという単位でしばしば表される。これは、所与の厚さの特定の繊維材料に関する特性の値として一般に表され、したがって固定値は、繊維材料の厚さが変わると変化することになる。例えば特定の繊維材料に関するH値は、その材料の厚さが2倍になると約2分の1減少する。したがってH値が低いほど、透過液キャリアとしての繊維材料の価値がより高くなることがわかる。この点で、片面のみで半透膜を支持するのに使用される繊維材料のH値は、約100を超えるべきではないと考えられ、好ましくはH値は約20以下であり、より好ましくは約10以下であり、最も好ましくは約1以下であり、当然ながら、さらに低い値は材料を通る液体のフローに対する抵抗力がより低くなることを表すことが理解される。したがって、スパイラル型カートリッジの標準的なリーフ配置構成では、2つの並置された透過液キャリア層を含む複合リーフのH値が50以下になると考えられ、好ましくは約10以下である。
【0032】
一般にスパイラル型カートリッジは、長さが広く変化する個々のリーフと共に作製することができると理解すべきであり、例えばリーフは、約10インチ(約25.4cm)程度またはそれ以下に短くてよく、あるいは70インチ(約178cm)程度またはそれ以上に長くてよい。その結果、非常に長いリーフを利用して(したがって従来の中央回収管に対して非常に長い平均経路になると考えられる)、一体的に結合された半透膜繊維支持材をスパイラル型クロスフローカートリッジに使用したい場合、前述の範囲の下限付近のH値を有する繊維支持材を選択してもよいことを理解すべきである。一方、短いリーフを使用したい場合、または透過液流経路が横方向になる配置構成(供給溶液は、中央多孔管にまたは中央多孔管から螺旋状に送出される)を使用したい場合は、H値の範囲の上限に近い繊維支持体を代わりに使用することができる。当然ながら、シート様繊維支持体の両面に半透膜が得られるように、その繊維支持体の両面を処理しようとする場合、前述のH値は約50atm/秒/mlを超えるべきではない(本発明の複合リーフに関して既に述べたように)。
【0033】
不織繊維支持材が好ましいが、片面または両面を補うことで改質することによって、適切な編地または織布を使用することができ、例えば厚さが数ミルの不織繊維フェルトは、織布構造または編地構造が元来持っている凹凸を十分に埋めて、その表面に直接半透膜を流延するのに十分な厚さの基材と所望の空隙率を提供すると考えられる。例えば、BBA Nonwovens、AWA、Crane、Powell、およびAhlstromから販売されているような薄いポリエステル繊維フェルトまたはスクリム材料であって、厚さが2から5ミル(約0.051から0.13mm)であり密度が平方メートル当たり約30から約90グラムの範囲内にある材料を使用することができる。これを、熱または溶媒または接着などにより、下に在る透過液キャリア材料に適切に結合して、その表面で流延が行われる一体化部分になるようにすることができる。
【0034】
前述のように、適切な生地の支持体表面に半透膜を流延することは数十年にわって実施されており、当技術分野では周知であって、多数の米国特許の対象となっている。例えば、RO膜の基材の役割をする微孔質ポリスルホン膜の生成が教示されており(例えば、特許文献14参照)、これは、約0.3%の水を含有する、ポリエーテルスルホンの16%DMF溶液を、ポリエステル帆布材料上にナイフ流延することによって行われるものである。流延は、ナイフの隙間を約5.5ミル(約0.14ミル)にして行い、流延後、流延溶液またはドープを支持する帆布を水浴に2秒間浸漬して、微孔質ポリスルホン基材を生成する。そのようなナイフ流延溶液手順は、平均孔径が約20nm未満の限外濾過膜および/または微孔質基材を製造するために世界中でよく使用されており、この膜を繊維支持体の上面のみに形成するときに便宜上使用することができる。
【0035】
単一の繊維支持体の両面に半透膜を形成することが望ましい場合、開示されているような流延手順を使用することができ(例えば、特許文献15参照)、この場合、垂直方向に移動するウェブの両側に配置されている貯蔵器から、またはウェブがその内部中心を下向きに通過する複合体貯蔵器から、ドープ層を両面に同時に流延する。あるいはその両面に所望の厚さのドープ層を残すよう制御された出口開口を有する単一の貯蔵器に、ウェブを通すことができる。次いで被覆済みのウェブを、好ましくは十分な深さを有する水浴に向けて、溶媒が水で抽出されるように、それによって膜を十分にゲル化して一体性を持たせた後、ローラにいくらか接触させるが、これらは全て当技術分野で一般に知られている。
【0036】
そのような材料を生成したら、この工業で通常行われているように、材料をスパイラル型クロスフロー濾過膜の製作に直接使用することができ、またはその使用前にロール形態で貯蔵することができる。前述のように、基本的に第’736号特許で詳細に述べたものと同様の、支持材を片面のみに被覆する製作手順を使用することができ、この場合、所望のリーフの約2倍の長さの材料を半分に折って半透膜表面を内側にし、これらを1枚のフィードスペーサ材料で互いに分離して、結果的に得られるカートリッジの軸方向にブライン通路が設けられるようにする。当然ながら本発明は、半透膜が折り重なって隣接しているリーフ間に透過液キャリアシート材料を慎重に位置決めする必要がなく、それによって製作が大幅に単純化され、可能性ある縮みの問題が回避される。次いでフィードスペーサを含むサブアセンブリを、そのようなマルチリーフスパイラル構成において折り重ねた別のサブアセンブリに結合し、対向する膜構造の側縁および端縁を通常は接着によって封止して、1対の対向する半透膜シートの間に挟まれた透過液キャリア材料のポケットが生成されるようにする。アセンブリが完成したら、当技術分野で周知のように、この積層材を多孔中央管の周りに巻き付けてカートリッジを形成する。あるいは、シングルスパイラルリーフを使用するカートリッジが望ましい場合は、中央透過液キャリア領域の両面に半透膜が形成された構造を使用できることが有利であり、当然ながら、代わりにそのような片面半透膜ユニットを2個、透過液キャリア面に互いに接触させた状態で並置することができる。次いで1枚のスペーサ材料シートと共に螺旋状に巻き取ることによってブライン通路が設けられるが、処理される溶液は、この通路を通して従来の配置構成の場合には軸方向に送出することができ、または以下に述べるように一方の側縁から透過液を除去しながら螺旋状に送出することができる。
【0037】
本発明の用法の、ある例示について述べる以下の実施例は、この理解を助けるべきである。しかし、これらの実施例は単なる例示であり、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【実施例1】
【0038】
BBA Nonwoven製のReemay2440ポリエステル繊維スパンボンドフェルトであって、厚さが約21ミル(0.53mm)、および表面の密度が平方メートル当たり約98グラムであるものを選択する。繊維の塊の表面に微孔質層が構築されるように、ポリエステルの微粒子または細い繊維をその融解温度以上に加熱するための既知の技法を使用して、薄いメルトブローポリエステル面を付加する。平均孔径が約180から200ミクロンの間にありかつ約0.5から2ミル(0.01mm〜0.05mm)の間の薄い表面領域が生成されるように、条件を制御する。
【0039】
そのような非対称繊維支持体が生成されるよう21ミル(約0.53mm)Reemay材料の片面を改質した後、流延ドープとしてUdel 35,000ポリスルホンの18重量%DMF溶液を含有する溶液を使用して、標準的な流延操作を実施する。分子量が約35,000であるこのポリスルホンを、ナイフの隙間を約8ミル(約0.2mm)として流延し、流延後、水浴に約180秒間浸漬して、薄膜ROまたはNF膜を生成するためのベースとして使用することもできる限外濾過タイプの半透膜を生成する。DMF溶液の実質上全てが除去されるまで、この材料を水浴に通し、材料の連続ウェブを、最上部の厚さが2.5ミル(約0.064mm)でありフェルト部の厚さが21ミル(約0.53mm)のポリスルホン膜の形態で残す。予備乾燥した後、複合材料は、限外濾過分離操作に使用できる状態になる。
【0040】
所望の厚さの複合透過液キャリアが得られるように、長さ約7フィート(約2.1m)の材料を折り畳みまたは2つの等しい長さの材料を互いに結合して、21ミル(約0.53mm)の厚さのReemayスパンボンド材料を表面同士接触させた状態にすることにより、実証用のクロスフロー濾過カートリッジを準備する。これら長方形のシートの端を接着剤で適切に封止して、一端のみ開放している細長いエンベロープを生成する。次いで開放端を、当技術分野で周知のように回収管の多孔質領域に結合し、その管の周りには、エンベロープと、長さが等しく厚さが28ミル(約0.71mm)の1枚のVexarフィードスペーサ材料とを一緒に螺旋状に巻き付けて、スパイラル型カートリッジを製造する。このように組み立てられた直径約1.8インチ(約4.6cm)の実証用カートリッジは、内径約0.5インチ(約1.3cm)の回収管を取り囲んでおり、これを試験装置に取り付けて、そのクロスフローUF分離能力を決定する。優れた性能が示され、複合透過液キャリアのH値は5atm/秒/ml未満であることがわかる。
【実施例2】
【0041】
Reemay No.2415(BBA Nonwoven製品)として市販されているスパンボンドポリエステル繊維オープンフェルト材料は、厚さが16ミル(約0.41mm)で密度が表面1平方メートル当たり53グラムであり、これを2.0オンス(約57g)の材料としてSnow Filtration(BBA Nonwovensの一部門)から販売されているより稠密なカレンダ掛けポリエステル不織繊維フェルトに接合する。これを使用することによって、厚さが約4.7ミル(0.12mm)になり実質上より稠密で密度が表面1平方メートル当たり約67グラムの表面流延領域が得られ、その平均孔径は10ミクロンである。これら2つのシート材料のウェブは、それらの間に非常に薄いシートまたはウェブを送り出すことによって、すなわち低融点ポリエステル繊維材料の蜘蛛の巣状構造を送り出すことによって1つに結合するが、これは、ReemayおよびSnow Filtrationウェブを形成する繊維のポリエステルの融点より約10°から20℃低い温度で融解すべきである。これら3種のウェブを、低いカレンダ圧でかつ薄い中間層を融解させるのに十分なわずかに高い温度で、1組のカレンダロール間を移動させる。中間層を融解させることによって、それを挟む2つの繊維層の間に永久接合が生じ、Reemayフェルトおよびカレンダ掛けフェルトの繊維間の接合部で融解ポリエステルから結合が形成され、非対称繊維支持体が生成される。
【0042】
実施例1で述べた流延操作を繰り返して、カレンダ掛けフェルト上にその場で厚さ約2〜3ミル(約0.051〜0.076mm)の同様のポリスルホンUF膜を生成する。次いでカートリッジ製作プロセスを繰り返して、実証用クロスフローUF分離カートリッジを製造し、次いでその試験を行う。性能は非常に良好で、計算によれば、エンベロープ全体のH値が5atm/秒/ml未満であることが示されるが、これは、表面を改質した厚さ16ミル(約0.41mm)のReemay2415層のH値が10atm/秒/mlであることを意味する。この配置構成全体は、UF、NF、およびROクロスフロー膜カートリッジに完全に受け入れられると考えられる。
【実施例3】
【0043】
Hornwood No.1994として販売されている厚さ約12ミル(約0.30mm)の不織ポリエステル編地材料を、実施例2と同様に、低融点の蜘蛛の巣状構造であるポリエステル材料の非常に薄いウェブに結合する。厚さ3ミル(約0.076mm)の、より稠密なAWA−51カレンダ掛けポリエステル湿式処理繊維材料であって、密度が表面1平方メートル当たり約70グラムで平均孔径が約17ミクロンの材料を、薄いウェブの最上部に付加する。蜘蛛の巣状構造材料でできた同様のウェブを、Hornwood材料の反対側の面に結合し、より稠密なフェルトである第2のAWA−51層を、この最上部に並べて配置して、外側に2層のAWA層が配置された5層サンドイッチ構造を生成する。1対の加熱したカレンダロール間に繊維積層材を送り出して、両面に熱を加えて低融点の薄いポリエステルウェブ層を融解するのに十分な温度まで上昇させ、それによって、AWAカレンダ掛けフェルトの対向面を、Hornwood材料の両外面に永久に結合するようにし、対称的に結合した低空隙率の表面層を有する高空隙率繊維材料を生成する。
【0044】
次いで実施例1で述べたタイプのポリスルホンのDMF溶液を使用して、この対称的な複合材料を、溶液が満たされたトラフの中心を垂直方向下向きに通すことによって被覆する。トラフは、十分に離して配置した複数のナイフの集合体を有し、したがって厚さ約18〜20ミル(約0.46〜0.51mm)の複合繊維ウェブをそのトラフに通すときに、約7から9ミル(約0.18から0.23mm)のウェットフィルムがその各面に流延される。流延ポリマーフィルムを即座に水中に数秒間入れることによって以前のように急冷し、ローラに接触する前に、被覆済みのウェブを水浴中で十分な距離だけ移動させるが、その結果、その移動速度に合わせてUF膜が十分にゲル化して、水浴中に浸漬した方向交代ローラ上を通すことによる影響が実質上生じないようになる。このように、水中で急冷した後に各面を溶液で被覆することにより、厚さ2〜3ミル(約0.051〜0.076mm)のポリスルホン流延フィルムが各面に得られる。
【0045】
実証用クロス濾過膜カートリッジは一般に、3カ所の縁部を封止して内部透過液通路提供領域を取り囲む膜エンベロープを生成し、複合ウェブ材料を並置したフィードスペーサ材料シートと共に螺旋状に巻くことによって、実施例1と同様に製作される。エンベロープの開放縁部を慎重に回収管の表面に封止するので、処理される液体がその内部に漏れる可能性はない。実証用カートリッジは、塩の水溶液と共に作動させる場合にクロスフロー限外濾過膜として十分に機能し、そのH値は約5atm/秒/ml未満である。
【実施例4】
【0046】
厚さ約4〜5ミル(約0.10〜0.13mm)の不織ポリアミド繊維フェルト、例えばCrane&Co.製のCranemat CX21であってNomex繊維とのブレンドを選択するが、これは膜支持体として適切な特性を有するが流延特性に乏しいものである。これを、厚さ約3ミル(0.08mm)で密度が表面1平方メートル当たり約52.5グラムの、Cranemat SM13.5などの薄いカレンダ掛けポリエステルフェルトに積層することによって、適切な流延表面が得られる。積層プロセスの一部として、実施例2と同様に、2つのフェルトの間に薄い蜘蛛の巣状ウェブを挟む。4〜5ミル(約0.10〜0.13mm)のCranematポリアラミド材料は、その平均孔径が約20から100ミクロンの間であり、空隙率は200PA当たり約35l/m2/秒である。密度は0.70g/ccであり、基本重量は表面1平方メートル当たり約80グラムである。
【0047】
次いで2層のCranemat CX21層は、それぞれの表面にポリエステルSM13.5ウェブ表面層が積層されたものであり、これらの対向する面の間に低融点ポリエステル繊維材料でできた蜘蛛の巣状構造の非常に薄いシートまたはウェブを挿入することによって、1つに接合する。低融点ポリエステルは、SM13.5ポリエステル繊維の融点より約10°から20℃低い温度で融解すべきである。4枚のウェブ、すなわちポリアラミド繊維シートの外側に2枚のポリエステルシートを配置したものを、低カレンダ圧で、かつ3層の蜘蛛の巣状中間層を融解するのに十分なわずかに高い温度で、1組のカレンダロール間に通す。これら中間層の融解により、その中間層を挟む対向する繊維層同士が永久に結合し、Nomexフェルトおよびカレンダ掛けフェルトの繊維と2枚のNomexフェルトの繊維との接合部で融解したポリエステルから結合が形成される。最終的に、厚さ約10〜12ミル(約0.25〜0.30mm)のポリアラミド透過液キャリアの両面に流延を行うのに適した薄いポリエステル表面を有する厚さ16ミル(約0.41mm)の材料が得られる。
【0048】
実施例3で述べた流延操作を繰り返して、カレンダ掛けポリエステルフェルト上にその場で形成された厚さ約2〜3ミル(約0.051〜0.076mm)の同様のポリスルホンUF膜を生成する。カートリッジ製作プロセスを繰り返して、実証用クロスフローUF分離カートリッジを製造し、次いでその試験を行う。周囲温度で試験をした場合、性能が非常に良好であることがわかる。H値、すなわちフローに対する基材/透過液キャリアの抵抗は5atm/秒/ml未満であり、これは、4層の厚さ16ミル(約0.41mm)の積層材料が、スパイラル型カートリッジ製作プロセスで使用する際に透過液キャリアとして適切であることを意味する。基材は主に、高温で安定でありかつ良好な耐薬品性を示すポリメタフェニレンジアミン長鎖を有するNomexポリアラミド繊維で作製されるので、そのようなUF膜は、高温およびpHの高い動作条件に曝されるUFクロスフロー膜カートリッジ用として十分受け入れられると考えられる。
【0049】
複合膜透過液キャリア構造の新規なデザインによって、膜要素、特にスパイラル型クロスフロー濾過要素の分野でその製作を実質上経済的に行うことが可能になる。以下の実施例は、これらの新規な材料を利用する、ある好ましい製作プロセスを示すものである。
【実施例5】
【0050】
実施例3で形成した一般的なタイプであって両面にポリスルホンUF膜を有し、かつ全厚が約25ミル(約0.64mm)である対称的な複合材料を、長さ36インチ(91.4cm)に切り取って、厚さは約28ミル(約0.71mm)で同じ幅の36インチ(91.4cm)のフィードスペーサシートと共に巻き取ることにより、実証用カートリッジを形成する。実証のため、両シートの幅は14インチ(35.6cm)であり、流延は、複合膜構造の両面およびその側縁が膜流延溶液で被覆されるように、長さ約15インチ(38.1cm)のトラフを使用して行い、その結果、側縁は膜流延ステップの一部として封止される。次いで長いロールから切り取ったシートの後縁および前縁のみを、透過液キャリア層全体が包封されるよう封止する必要がある。封止は、透過液キャリア層に供給材料が漏れるのを防止する任意の適切な手法で行う。一般にこれは、グルーまたはその他の接着剤を用いて、あるいはグルーによる接着とテープを組み合わせて行う。ホットメルト接着剤は、極めて素早く硬化し、したがって本質的に即座に取り扱うことができるので、しばしば好ましい。あるいは、使用される特定の膜および透過液キャリア材料に応じてヒートシールを使用することができ、例えば、ナイロンUF膜を使用しまたはポリエステル透過液キャリアを使用する場合は、いずれもロールから切り取ったシートの前縁および後縁に沿ってヒートシールを使用することができる。本発明の場合、これら2つの縁部の封止は、標準的なポリウレタン接着剤を使用して行う。
【0051】
外径0.6インチ(1.5cm)の中央管の周りに、両面に流延した長さ36インチ(91.4cm)の1枚のシート材料を巻き付けることによって、外径1.8インチ(4.57cm)の実証用要素を設ける。中央管には、その管を切り取って形成した細長いスロットを設けることができ、このスロットには、概略的に教示されるように(例えば、特許文献16参照)1枚のリーフおよびフィードスペーサの端部を挿入することができる。より古くからは、中央管に穴を開けて形成した1列の穴のみ設けており、フィードスペーサをその管の周りに巻いて、中央管の内部とフィードスペーサ材料とを連通させ、そこを通すことによって、処理する液体を送出する。回収は、膜のフラックスおよびリーフの長さに依存する。当然ながら、示されるように(特許文献16参照)、管の周縁部に均等に間隔を空けて配置した2つ以上のスロットを切り取ることによって、または管に複数列の穴を有することによって、マルチリーフ要素を巻き付け、それによって、複数のフィードスペーサシートと複数の複合膜材料シートとを交互に配置したものとの連通を図ることができることが理解されよう。フィードスペーサ材料の特性は、当技術分野で周知のように、特定の適用例に応じて選択される。
【0052】
フィードスペーサ材料の側縁の接着剤封止は、従来のスパイラル型要素を巻き付けるのとほぼ同じ手法で巻き付けるときに行うことができる。膜表面の側縁を供給材料の対向面にグルー接着して、その縁部を封止し、供給側と透過液出口側とが切り離されるようにする。しかし、効率をもたらし製造コストを削減する好ましい製作方法では、複合膜材料およびフィードスペーサリーフを中央管に巻き付けるだけでよく、巻付けが終了したら、その巻き付けられた要素の端部をウレタン、エポキシ、またはホットメルト接着材料に浸けて、接着剤シーラントが多孔質供給材料の端部にかなりの距離浸入する条件下で端部全体を封止することもできる。このタイプの注封構成は開示されている(特許文献17および特許文献3も参照)。注封接着剤が硬化した後、フィードスペーサを封止したままの状態で、複合材料の透過液キャリア領域の螺旋状縁部(当初は流延膜により封止されていた)が露出する位置で端部をトリム処理するが、このトリム処理する距離は通常約1/4から1/2インチ(約0.64cmから1.3cm)である。このような動作要素において、膜を通過する透過液は、従来要素の場合のように中央回収管に到達するために螺旋巻きの非常に長い距離を移動しなければならないのではなく、その要素内の経路の端部に到達するまで短い距離だけ移動すればよい。当然ながら、この短い透過液経路による圧力低下は非常に低くなるので、この透過液キャリアには、相当な距離を透過液がフローするのを容易にするのにときどき利用されるものに比べて費用のかからない材料を利用することが可能になると考えられる。
【0053】
要素の外部と圧力容器の内面との間の領域内に存在することになる供給液体に透過液が接触しないようにするため、内部を通って透過液が除去されるトリム処理済みの縁部付近の要素の注封端部に、1個または好ましくは2個のOリングを備えたカラーをグルー接着する。Oリングをカラー外面の溝に嵌め込み、1対のOリングを使用することによって、供給液体側の高圧と透過液側の低圧との間で生じる可能性のあるいかなる漏れも止めることができる。多孔質フィードスペーサの外部領域から注封樹脂が浸入する領域に至るまで飽和するように、大量の接着剤を使用してこのカラーを巻付け要素に接着固定することによって、確実に、供給圧力でカラーが要素から動くことがなく、かつカラーから漏れが生じないようになる。別の態様では、スパイラル型要素のトリム処理済み端部に配置されたカラーは、カラーの自由端またはそこに挿入された短いスペーサが圧力容器のエンドキャップに接触するよう設計されることが好ましく、その結果、容器内部の圧力によって要素がエンドキャップへと押圧され、それによって封止が補強されることになる。別の代替例は、要素の端部にカラーを嵌め、接着剤で取着するなどして中央管に密着し固定されるリングに接続されたスポークを設けることである。次いでそのようなカラーをスパイラル型要素のグルー接着した場合、その状態は、伸縮防止型装置(ATD)として働くエンドキャップの従来の用法に似たものになる。当然ながらこのように、供給材料のフローが要素の一端から反対側の端部にフローするのではなく(そのような望ましくない伸縮動作が本質的に生じる可能性がある)、フィードスペーサを螺旋状に内向きにまたは螺旋状に外向きにフローする状態では、ATDに対する必要性は、あったとしても非常に少ない。しかし、中央管にこのように取着することによって、可能性ある動きおよび漏れをさらに防止することができる。
【0054】
一般に、中央管の一端には栓を詰め、反対側の端部に供給材料を送り込んでスロットまたは一連の穴を通過するようにし、次いで要素内を螺旋状に外向きに移動する。供給材料が供給される端部の封止は、中央管の内部に位置付けられまたは延長管の外部を取り囲むOリングで行うことができる。同様に、周囲圧力容器の内径は、カラーにより支持されるこれらのOリングを使用して、一端または両端に位置付けられた透過液に対して供給領域を封止できるべきである。この目的で封止材として接着剤を使用することにより1回で使い捨てにされる配置構成の場合、要素カラーを圧力容器内壁にグルー接着することが可能であると考えられるのに対して、より古くからは、要素を交換することが可能であり、圧力容器は、この圧力容器の本体に適切に相互接続されまたは締め付けて固定される1対のエンドキャップを有する。
【0055】
この技術分野で知られるように、圧力容器のエンドキャップは様々な構成を有することができる。一方のエンドキャップは、中心から外れて単一のポートを有することができ、供給材料はそのポートを通って、要素の外部領域に連通するプレナムチャンバに送り込まれ、その供給材料のフローは外面から、中央管に結合された内縁部へと螺旋状にフローする。このエンドキャップの内部は、中央管の閉じた栓として働くことができる。反対側のエンドキャップは2個の穴またはポートを有するものでよく、その1つは濃縮溶液を除去するために中心に位置付けられ、2つめの穴は中心から外れて透過液を除去するものでよい。圧力および要素内を通る液体のフローの制御を可能にするため、濃縮液が内部を通って出ていく管材に弁または何らかの制流子を結合することが一般的である。代替の動作形態では接続を変えることも考えられ、供給材料を中央管に送り込んで、濃縮液をリーフの外側端部から出し、次いで中央管のブロック端部を取り付けるのに役立つエンドキャップから出すことができるようにする。
【0056】
この一般的な構造を使用して、単一のUF膜を、分子量が約15,000のポリエーテルスルホンから流延した。外径約1.8インチ(約4.6cm)および膜の幅約12インチ(約30cm)の要素を、シングルリーフスパイラルとして長さが約36インチ(約91cm)のシートから巻き取った。100psig(ゲージ圧約7.03kg/cm2)で1日当たり約228ガロン(約863リットル)の割合で送出することにより、要素は膜面積1平方フィート(約0.09m2)につき、1日当たり約38ガロン(約140リットル)の透過液を製造した。供給圧力を約80psig(ゲージ圧約5.6kg/cm2)に下げ、要素を通して1日当たり約190ガロン(約720リットル)の割合で送出することにより、得られる透過液の量は、膜面積1平方フィート(約0.09m2)当たり約31.7ガロン(約120リットル)に等しくなった。圧力をわずか約62psig(ゲージ圧約4.4kg/cm2)に下げ、装置を通して1日当たり約151ガロン(約572リットル)の割合で送出することにより、膜面積1平方フィート(約0.09m2)につき1日当たり約25.1ガロン(約95リットル)に等しい透過液が得られた。シングルリーフスパイラルとしてのこの要素の性能は優れたものであると考えられた。
【実施例6】
【0057】
スパイラル型要素の両端を注封し、次いでこの要素の両端をトリム処理して両側縁の透過液チャネルを露出させるようにし、その両端にOリング支持カラーを固定する他は、実施例5で述べた製作プロセスを繰り返す。その結果、透過液は、要素の2つの対向する端部の一方に出るまで、膜の幅の半分以下の距離だけ透過液キャリア層内をフローればよい。したがって、要素の両端から透過液を取り出すことによって、透過液経路の平均の長さはさらに短くなり、そのため要素の透過液側の圧力低下は、実施例5で製作したものよりもさらに低くなる。この配置構成を使用することにより、要素はそれ自体の圧力容器内に配置することが可能になり、透過液は圧力容器の両端から除去することが可能になる。これは実施例5で製作した要素とは異なり、所望ならそのような2つの要素を単一の圧力容器内に配置し、一要素が各端部に排出するようにすることができる。したがって、例えば直径が約4インチ(約10cm)で長さ40インチ(約100cm)のスパイラル型要素では、透過液は、長さ40インチ(約100cm)の要素の製作に使用されるリーフの数に関係なく、透過液キャリア材料内を最長約19インチ(約48cm)移動するだけでよい。しかしそのような配置構成では、カラーおよびOリング封止構成が要素の両端に固定され、例えば供給液体の入力および出力は中央管を通り、圧力容器の側壁にある出口を経由する可能性がある。
【0058】
前述のスパイラル型要素構造は、その目的に適する複合層材料の両面に同時に膜を流延するものに限定されず、実施例1および2で概略的に述べた技法を使用して生成される複合膜透過液キャリア材料も利用することができる。例えば、片面に流延された半透膜をそれぞれが有する2片の平膜を所定の長さに切断し、これら複合体の表面と表面を合わせた状態で配置することによって封止エンベロープまたはポケットを作製し、次いで縁部を封止する。望むなら全製作プロセスに応じ、2枚の間に薄い蜘蛛の巣状ウェブを配置した状態で熱カレンダ掛けすることにより、これら2枚を事前に一体化できることが好ましい。このように、これらの膜は、シートフィードスペーサ材料と共に巻いた場合、その後の製作プロセスにおいて容易に単一物品として取り扱うことができる。あるいはこれらの膜を並置するだけでよく、グルー接着またはヒートシールにより側縁と前縁および後縁を封止してエンベロープを形成することができ、実現可能であるが巻上げ手順中にエンベロープを形成するのではない。そのような後者の場合、透過液キャリアの隣接する縁部の封止よりも深い封止を内部に生成するため、巻上げ動作中に、より幅の広い接着剤の帯をフィードスペーサに塗布しながら、側縁が封止されるよう膜透過液キャリア複合材料の両面に接着剤を塗布することができる。グルーが硬化したら、上記実施例6および7で述べたように、巻き上げたユニットの一端または両端をトリム処理して透過液出口を生成することができる。
【0059】
あるいは、フィードスペーサシートと複合材料の対向する膜表面へのグルーの塗布を制限しながら透過液側を全くグルー接着せずに、フィードスペーサシートと合わせて2枚の複合膜キャリア層シートを中央管の周りに一緒に巻き付けることができる。この構造では、透過液チャネルの側縁が常に開放されているので、最終的なスパイラル型要素はいかなる注封またはトリム処理も必要としない。
【0060】
さらに別の代替構造として、実施例3で製作されたものと同様のアセンブリを、初めに3ミル(約0.076mm)のAWAカレンダ掛けポリエステル湿式処理フェルト材料上に直接UF膜を流延することによって作ることができる。次いでそのような2片を所望の長さに切断し、それらの間に1枚の12ミル(約0.30mm)、34ホエール、16%エポキシ被覆トリコットを挿入してサンドイッチ型の配置構成にする。これは単に関連付けられているにすぎず、または実施例3で述べたようにそれらの間に蜘蛛の巣状材料を並置したものでよく、次いで相互接続複合体の二重膜透過液キャリア材料を生成するために高温カンレンダ掛けを行う。次いでこれらをフィードスペーサシートと一緒に巻き付け、その縁部を通るいかなるフローも接着により閉じながら、その縁部を膜の対向面にグルー接着しまたは封止する。透過液キャリア材料が接着剤に触れないように保つ場合、やはり要素の側縁をトリム処理する必要はなく、したがってスパイラル型要素の対向する両端から透過液を引き出すことができる要素を設けることができる。
【0061】
前述の配置構成のいずれかでは、実証用要素を生成するために中央管の周りに一般に巻き付けられたものとして記述された単一のリーフと同様に複数のリーフを使用できることが理解されよう。しかし、この全配置構成は特に、非常に大きい直径の螺旋、例えば直径16インチ(約41cm)のスパイラル要素に巻き上げられた単一のリーフ要素であって、膜材料の幅が約40インチ(約102cm)のものを作製するのに適していることも重要と考えられる。実際の長さに応じて、処理される溶液をこの長い経路の一端から他端まで螺旋状に送出することができるよう十分な空隙率を有するVexarなどのフィードスペーサ材料を選択する。しかし、平均透過液経路はわずかに約10から12インチ(約25から30cm)であるので、そのような非常に長い単一リーフの螺旋巻きが実現可能であり、当然ながら、マルチプルリーフスパイラル型構成よりも容易にかつ簡単に製作される。大型の圧力容器内で作動させるための、そのような非常に大きい直径のスパイラル型要素には、当然ながらいくらかの圧力制限があるが、一般にこの要素は約150psi(約10.5kg/cm2)以下の圧力で非常にうまく作動する。
【0062】
もう1つの態様では、このタイプの構造は特に、従来単一の螺旋を使用して作製された酢酸セルロースなどの非対称性の膜から作製した、小型のいわゆる家庭用逆浸透(HRO)ユニットに好ましく、そのような複合膜を用いたユニットは、ホットメルト接着剤を使用することにより5分という短い時間で作製することができる。そのようなスパイラル型要素の側縁の一方から透過液を除去することによって、そのような要素を単一の圧力容器内で3個以上使用するのを阻止できることがわかるが、教示されるような(特許文献18参照)カプセル封入カートリッジを全配置構成に使用することができ、そのようなカートリッジを多岐管で共通の透過液ラインに配して、容器外部の様々な透過液のフローを回収することができる。
【0063】
本発明を実施するために、発明者に知られる最良の態様を構成するある好ましい実施形態に関して本発明を記述してきたが、添付される特許請求の範囲で述べる本発明の範囲から逸脱することなく、当業者に明らかな様々な変更および修正を加えることができることが理解されよう。例えば、供給材料のフローがカートリッジ内を軸方向に通って透過液のフローが多孔質回収管を螺旋状に内向きに通り、またはその逆であるスパイラル型クロスフロー濾過装置を用いて本発明を例示するが、同等のクロスフロー濾過構成も同様に、概略的に示される(特許文献19参照)総合的なタイプのプリーツ付き配置構成を使用することができるものも含めた本発明の製品を有利に組み込むことができることが理解されよう。
【0064】
本発明の特定の特徴は、上述の特許請求の範囲で主張される。
【0065】
補遺
この報告は、膜のリーフの長さ、膜の透水性、および透過液チャネルのフロー抵抗が、要素の透過液効率をどのように決定するか説明する理論について述べる。
【0066】
理論
透過液束
膜を通る透過液束は、方程式(1)から得られる。
【0067】
Jw=Am・(Pb−Pp−πb+πp) (1)
【0068】
Jwは透過液束である。
Amは膜のA値(透過液の透水性)である。
Pbは膜の供給側にかかる圧力である。
Ppは膜の透過液側にかかる圧力である。
πbは膜の供給側にかかる浸透圧である。
πpは膜の透過液側にかかる浸透圧である。
【0069】
方程式(1)は、
Jw=Am・(Pl−Pp) (2)
Pt=Pb−πb+πp (3)
と書き直すことができる。
【0070】
通常動作中の膜要素内では、供給側圧力と、供給側および透過液側の浸透圧に大きい変動はない。Ptは、著しい誤差なく単一要素に関して一定であるとして処理することができる。
【0071】
透過液チャネルでの圧力低下
その要素でPtが一定である場合、透過液束は、透過液管から一定の膜距離で一定であり、透過液は、透過液管に向かって半径方向にのみフローする。
【0072】
チャネル内での流体のフローによる圧力変化は、一般に方程式(4)で表すことができる。
【0073】
dP=−4・dx/dh・f・0.5ρ−v2 (4)
上式で、dPは圧力変化であり、
dxは圧力変化に対する距離であり、
dhは水力直径であって、この場合は透過液スペーサの厚さの2倍と定義されるものであり、
ρは流体密度であり、
vは流体速度であって、この場合は透過液チャネルが透過液スペーサと同じ厚さを有し、かつ透過液スペーサはいかなるスペースも占有しないと仮定して計算されるものであり、
fはファンニングの流体摩擦係数であり、
fは、完全に展開された速度プロフィルを有するニュートン流体のレイノルズ数(Re=dh・ρ/μ、ただしμは流体粘度である)のみに依存する。流体は、粘度が剪断速度に無関係である場合、ニュートン流体である。
【0074】
水力直径および流体速度は任意のいかなる方法でも定義できることに留意されたい。ファンニングの流体摩擦係数の相関は、これらの定義が変化した場合に変化する。
【0075】
透過液チャネルの圧力勾配は、全てではなくともほとんどの透過液チャネルスペーサに関し、局所透過液フローに比例する。これは、方程式(4)の摩擦係数が速度に反比例し、したがってレイノルズ数にも反比例することを意味する。次に方程式(5)のfLは、レイノルズ数または透過液チャネルでのフローに無関係である。
【0076】
fL=f・Re (5)
方程式(4)および(5)とレイノルズ数を組み合わせることによって、
dPp/dx=−2μ/(dh 2)・fL・v (6)
が得られる。
【0077】
速度vは、幅Wのチャネルにおける体積フローQから計算することができる。
【0078】
v=Q/(W・dh/2) (7)
方程式(6)および(7)から、
dPp/dx=−4μ/(dh 3)・fL・Q/W (8)
が得られる。
【0079】
Hは方程式(9)により定義される。
【0080】
H=4μ/(dh 3)・fL (9)
【0081】
したがってHは、透過液チャネル構造(fLおよびdhにより)および流体粘度により様々である。
【0082】
xに関する透過液圧力の第2の導関数は、方程式(8)および(9)から得られる。
【0083】
d2Pp/dx2=−H/W・dQ/dx (10)
【0084】
図1は、透過液チャネル内のフローを示す。膜リーフの端部からxの距離では、ユニット幅当たりの透過液フローがQ(x)であり、透過液束はJw(x)である。x=Lと透過液管(x=Li)の間では、膜は不透過性である。透過液圧力は、位置xでPp(x)であり、x=LでPLであり、透過液管内ではPiである。
【0085】
【表1】
【0086】
図1.透過液管に取着されかつ膜により取り囲まれた透過液チャネルスペーサ
膜を通る透過液束が原因で、透過液フローQは、x=Lになるまでxが増加すると共に透過液チャネル内で増加する。距離dxおよび幅Wでは、方程式(11)により、透過液束が追加の透過液量フローdQに寄与する。膜は、チャネルを両面で覆う。
【0087】
dQ=Jw(x)・2・W・dx (11)
0≦x<Lの場合、方程式(2)および(11)から
dQ/dx=2・W・Am・(Pt−Pp) 0≦x<L (12)
が得られる。
【0088】
方程式(10)および(12)から
d2Pp/dx2=−2・H・Am・(Pt−Pp) 0≦x<L (13)
が得られる。
【0089】
z2=2・H・Am (14)
と定義すると、方程式(13)および定義(14)から、
d2Pp/dx2−z2・Pp=−z2・P1 0≦x<L (15)
が得られる。
【0090】
方程式(15)は、定係数の線形非同次二階微分方程式である。そのような方程式を解くことは難しくない。完全な解は、2つの部分の合計である。第1の部分は、方程式(15)の右側をゼロに置き換えた同次方程式の解である。特性多項式r2−z2=0を使用して、この解((Pp)h)を得た。
【0091】
(Pp)h=C1・ezx+C2・e-zx (16)
上式でC1およびC2は、境界条件から決定される定数である。
【0092】
解の第2の部分は、任意の特定の解である。そのような1つの解は、
(Pp)p=Pt (17)
である。
【0093】
方程式(16)と(17)を合わせることによって
Pp(x)=Pt+C1・ezx+C2・e-zx (18)
が得られる。
【0094】
2つの境界、x=0およびx=Lがある。x=0での圧力は不明である。しかし、透過液チャネル内のフローvはx=0でゼロであり、したがって方程式(6)によれば、
[dPp(x)/dx]x=0=0 (19)
である。
【0095】
方程式(18)および(19)から、
C2=C1 (20)
が得られる。
【0096】
x=Lでは透過液圧力がPLであり、これと方程式(18)および(20)とから、
C1=(PL−Pt)/(ezL+e-zL) (21)
が得られる。
【0097】
方程式(18)、(20)、および(21)から、
Pp(x)−PL=(Pt−PL)・[1−(ezx+e-zx)/(ezL+e-zL)]
(22)
が得られる。
【0098】
x=Lとx=Liの間では透過液フローが一定であり、QLで示される。次いで方程式(8)および(9)から
Pi−PL=−(Li−L)・H・QL/W (23)
が得られる。
【0099】
方程式(22)および(23)から
Pp(x)=Pt−(Pt−Pi−(Li−L)・H・QL/W)・[(ezx+e-zx)/(ezL+e-zL)] (24)
が得られる。
【0100】
方程式(12)を積分してQLを求める。
【0101】
【数1】
【0102】
方程式(24)および(25)から
【0103】
【数2】
【0104】
が得られる。
【0105】
方程式(14)および(26)から
【0106】
【数3】
【0107】
が得られる。
【0108】
方程式(27)の積分と、双曲線正接(tanh)の定義(28)を使用することにより、方程式(29)が得られる。
【0109】
【数4】
【0110】
方程式(24)および(29)から、
【0111】
【数5】
【0112】
が得られる。
【0113】
透過液効率
透過液効率ηpは、要素からの透過液フローであり、透過液チャネルでの圧力低下がゼロの場合の透過液フローで割った値である。後者の場合、透過液圧力は一定であり、透過液チャネルの全長にわたりPiに等しい。方程式(25)から、
【0114】
【数6】
【0115】
が得られる。
【0116】
方程式(30)および(31)から、
【0117】
【数7】
【0118】
が得られる。
【0119】
定義(14)および方程式(33)から、
【0120】
【数8】
【0121】
が得られる。
【0122】
したがって膜の透過液効率は、1)透過液チャネルの長さと、2)圧力および温度に応じて変化する膜のA値と、3)スペーサそのもの、膜の基材、動作圧力(圧密)、および透過液の粘度に応じて変化する透過液チャネルのH値との関数である。
【0123】
H値は透過液の粘度に正比例し、膜のA値は透過液粘度にほぼ反比例する。したがって温度が低下すると、透過液粘度が上昇するが、透過液効率にそれほど影響を与えるわけではない。高圧では、温度上昇により透過液効率が低下するが、それはチャネルの圧密が高温で悪化するからである。
Claims (22)
- ポリマー繊維支持体に一体的に結合されたシート形態の半透性ポリマー膜であって、その平面内での透過液フローを優れたものにし、したがってクロスフロー濾過の用途が見出された半透性ポリマー膜を作製する方法において、
厚さが少なくとも0.1mmであり、平均孔径が約300ミクロン以下である上面支持領域を有する繊維支持体を設けるステップと、
溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を前記繊維支持体の前記上面に流延するステップと、
前記溶媒を除去して前記層をゲル化しかつ半透膜を形成するステップとを含み、
その結果得られた、繊維支持体に一体的に結合された半透膜の配置構成は、その平面内での液体のフローに対して低い抵抗を示すことにより、補助透過液キャリアに結合することなくクロスフロー濾過用の膜カートリッジで使用することが可能となることを特徴とする方法。 - 使用される前記繊維支持体は、厚さが約0.4mmから約1mmの間で、幅が少なくとも約30cmであり、しかも約100以下のH値で測定されるように、その平面内での水性流体のフローに対して低い抵抗を示すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記繊維支持体は、厚さが約0.05mmから0.3mmの間で、孔径が約200ミクロン以下である前記上面領域を設けるように性質を変化させるために、処理されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記上面領域は、厚さが約0.1mmから0.3mmの間であり、カレンダ掛け、メルトブロー、または表面加熱によって設けられることを特徴とする請求項1、2、および3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記上面領域は、厚さが約0.1mmから0.3mmの間であり、その高密度化を実現するために表面熱処理によって生成されることを特徴とする請求項1、2、および3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記上面領域は、厚さが約0.1mmから0.3mmの間であり、その表面にポリマー粒子をメルトブローするか、またはその表面にポリマー繊維層を湿式処理することによって設けられることを特徴とする請求項1、2、および3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記上面領域は、厚さが約0.1mmから0.3mmの間であり、カレンダ掛けあるいは熱結合または接着剤結合によって、その表面に薄いポリマー繊維層を恒久的に接着することによって設けられることを特徴とする請求項1、2、および3のいずれか一項に記載の方法。
- 一体型ポリマー繊維支持層に結合されたシート形態の半透膜であって、その平面内での透過液フローを優れたものにする半透膜を使用した、スパイラル型クロスフロー濾過カートリッジを作製するための方法において、
(a)厚さが少なくとも約0.4mmの繊維支持体であり、前記繊維支持体の中心とは物理的に異なり、その厚さが少なくとも約0.1mmで、平均孔径が約200ミクロン以下である1つの表面領域を有する繊維支持体を設けるステップと、
(b)溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を、前記繊維支持体の前記1つの表面に流延するステップと、
(c)前記溶媒を除去して前記層をゲル化し、ポリマー半透膜をその場で前記繊維支持体上に形成するステップと、
(d)ステップ(c)の前記生成物を、前記生成物の膜表面と並置した供給液通路提供シート材料に結合した状態で、かつ別の透過液キャリアのない状態で、多孔質回収管の周りに螺旋状に巻き付けて、クロスフロー濾過カートリッジを形成するステップとを含み、
その結果得られた、前記繊維支持体に一体的に結合された前記ポリマー膜の配置構成は、その平面内での液体のフローに対して低い抵抗を示すことにより、補助透過液キャリアに結合することなくクロスフロー濾過用のスパイラル型膜カートリッジで効率的に使用することが可能であることを特徴とする方法。 - 前記一体型支持層のH値は、約100atm/秒/ml以下であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記繊維支持体シートは、直径が約30から40ミクロンの間であるポリマー繊維の主領域を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記一体型支持層のH値は、約50atm/秒/ml以下であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記一体型支持層のH値は、約20atm/秒/ml以下であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記繊維支持体の反対側の面は同様の表面領域を有し、前記ポリマー材料溶液の第2の層が、その表面に流延されることを特徴とする請求項8から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記層は水浴中で同時にゲル化して、両側の面にその場で形成された半透膜を有する前記生成物を生成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- クロスフロー濾過用の膜カートリッジであって、
ポリマー半透膜と、その平面内での透過液フローを優れたものにする一体型支持層とを含んだシート形態の半透膜材料を含み、
前記一体型支持層は、厚さが少なくとも約0.1mmの繊維支持体シートからなり、
前記繊維支持体シートの一主面は、平均孔径が約300ミクロン以下の領域を構成し、
前記繊維支持体シートは、約100atm/秒/ml以下のH値として測定される、その平面内の水性流体のフローに関する透過液キャリア効率を有し、
前記半透膜は、溶媒中に膜形成ポリマーを含有する溶液の層を前記繊維支持体シートの前記1つの表面上に流延し、その後前記溶媒を除去して前記流延層をゲル化することによってその表面にその場で形成された結果、前記繊維支持体の前記1つの表面領域に一体的に結合されるものであることを特徴とするカートリッジ。 - 前記繊維支持体シートは、厚さが約0.4mmから約2mmの間であり、幅が少なくとも約30cmであり、前記1つの表面領域は、厚さが0.05mmから0.3mmの間であり、平均サイズが約200ミクロン以下であることを特徴とする請求項15に記載のカートリッジ。
- 前記1つの表面領域は、厚さが少なくとも約0.1mmであり、前記繊維支持体は、厚さが少なくとも約1mmであることを特徴とする請求項15に記載のカートリッジ。
- 前記繊維支持体シートは、直径が約30から約40ミクロンの間であるポリマー繊維の主領域を含むことを特徴とする請求項15に記載のカートリッジ。
- 前記半透膜材料は、処理される液体を輸送するよう設計された1枚の多孔質供給液用材料と共に中央管の周りに螺旋状に巻き付けられて円筒形のアセンブリを形成することを特徴とする請求項15から18のいずれか一項に記載のカートリッジ。
- 前記支持体シートの反対側の主面領域も、厚さが少なくとも約0.05mmであり平均孔径が200ミクロン以下であり、その表面に同様の半透膜がその場で形成され、前記一体型支持層のH値が約50atm/秒/ml以下であることを特徴とする請求項19に記載のカートリッジ。
- 前記要素は、前記多孔質供給液用材料シートが前記中央管内部と連通してその側縁がブロックされるよう構成され、前記螺旋状に巻かれた透過液用材料の一方の側縁は、そこから透過液のフローを排出するよう開放していることを特徴とする請求項19に記載のカートリッジ。
- 前記円筒形アセンブリの外面にはほぼ円筒形のカラーが接着により取着され、円筒形圧力容器の内面に対してカラー外面を封止して、そこを軸方向に通過する供給液のフローを防止する手段が設けられることを特徴とする請求項21に記載のカートリッジ。
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