JP2005319454A

JP2005319454A - スパイラル型分離膜エレメント

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Publication number: JP2005319454A
Application number: JP2005076751A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ishihara; 悟石原; Yuji Nishida; 祐二西田; Shinichi Jizo; 眞一地蔵; 光昭 ▲廣▼川; Mitsuaki Hirokawa
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】供給側流路の圧力損失を低減でき、しかも供給側流路の流れの阻害や閉塞の問題が生じにくいスパイラル型分離膜エレメントを提供すること。
【解決手段】分離膜と供給側流路材及び透過側流路材が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記供給側流路材が、供給液の流れ方向に平行な縦糸１と横糸２とに繋がっており、その縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比が１：１．１〜１．３であり、かつ、その空隙比ｅが０．８０〜０．９０であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体中に浮遊及び溶存している成分を分離するスパイラル型分離膜エレメントに関し、詳しくは、供給側の圧力損失をより小さくでき、かつ、捕捉した浮遊性分を効率よく排出できる構造を有する供給側流路材を内蔵した逆流可能なスパイラル型分離膜エレメントに関する。

従来、スパイラル型分離膜エレメント（以下「膜エレメント」という。）の構造としては、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、有孔の中空状中心管の周りに巻き付けられたものが知られている。このような膜エレメントは、使用していくに従って分離膜の表面及び内部に濾過した分離物が付着し、徐々に性能が低下する。

そのため、定期的な膜の洗浄が必要となるが、その方法としては、大きく分けて薬品洗浄と物理洗浄に分けられる。前者はクエン酸溶液、シュウ酸溶液、水酸化ナトリウム溶液、次亜塩素酸ナトリウム溶液などの薬品に浸漬する方法、後者は膜の濾過側の反対方向（支持体側）からエアバブルや水などで圧力をかけることにより、付着物を物理的に洗い流す逆流洗浄（逆洗）や分離膜の表面及び供給側流路材に付着した分離物を供給側流路材の一方から反対方向へ洗い流すフラッシング洗浄などが一般的である。これらの洗浄では、分離膜に対し、大きな負荷がかかる。薬品洗浄では薬品に対する耐性が必要となり、物理洗浄では高い背圧耐性や保持力がスパイラル型分離膜エレメント全体で必要となる。

このとき、膜エレメントを構成する供給側流路材は、膜エレメントの働き、つまり供給液の濾過機能を発揮するためだけではなく、膜のこうした機能を維持するために必要な、逆流洗浄、フラッシングにおいても非常に重要な役割をしている。膜エレメントにおけるこうした役割を確保する観点からは、特に供給側流路材における圧力損失の問題が重要であり、従来から、供給側流路材として、ひし形ネット状流路材が用いられ、これにより圧力損失を低減することができるとの報告がある（例えば、特許文献１〜３参照）。具体的には、図６に示すような構成例を挙げることができる。

一方、供給側流路の圧力損失を小さくする目的で、供給液流れ方向と平行な縦糸とその縦糸を繋ぐ横糸からなるラダー形ネット状流路材が採用されている（例えば、特許文献４参照）。この発明は、縦糸間隔及び横糸間隔と空隙比の関係に着目したものではなく、空隙比については何も言及されていない。
特開平１１−２３５５２０号公報（図１〜図２）特開２０００−０００４３７号公報（図１〜図４）特開２０００−０４２３７８号公報（図１〜図２）特開平０５−１６８８６９号公報（第３項〜図２）

しかしながら、従来のラダー形ネット状流路材は、流路材の形状や厚みが分離膜エレメントの供給側の圧力損失や有効膜面積と関係あることから、使用される用途に応じて適度な流路材の形状や厚みのものを選択していた。つまり、供給側流路材には、供給側の圧力損失をできるだけ小さくする機能に加えて、分離膜エレメントから得られる濾過水量を安定して多くするため、供給側流路材に供給液の浮遊している成分が引っかかり、流れの抵抗が増大もしくは閉塞を抑制させる機能が要求される。

そこで、本発明の目的は、供給側流路の圧力損失を低減でき、しかも供給側流路の流れの阻害や閉塞の問題が生じにくいスパイラル型分離膜エレメントを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、ラダー形ネット状流路材の縦糸間隔や横糸間隔、空隙比について鋭意研究したところ、縦糸間隔と横糸間隔の比率を一定範囲内に設定して、さらに空隙比を規定することで上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、分離膜と供給側流路材及び透過側流路材が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記供給側流路材が、供給液の流れ方向に平行な縦糸と供給液流れ方向に交差する横糸とに繋がっており、その縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１〜１．３であり、かつ、その空隙比ｅが０．８０〜０．９０であることを特徴とする。

本発明者は、膜エレメントにおいて、供給側流路材の構造、特に縦糸間隔と横糸間隔の比、および、その空隙比が、供給側流路の圧力損失に大きな影響を見出したもので、これらを所定の条件にすることで、圧力損失を大幅に低減することができる。しかも、供給側流路の流れの阻害や閉塞を防止するのに有効であることから、優れた膜エレメントを提供することができる。

空隙比ｅは、次に示す計算式（１）で求めることができる。

ｅ＝（ρｖ−Ｗ）／ρｖ・・・（１）
ρ：供給側流路材の比重［ｇ／ｃｍ^３］
ｖ：供給側流路材の見かけ体積［ｃｍ^３］
Ｗ：供給側流路材の乾燥重量［ｇ］
ここで、供給側流路材の比重ρは、電子比重計などを用いて、材質がゴムであればゴム「ＪＩＳＫ６３５０」、材質がプラスチックであればプラスチック「ＪＩＳＫ７１１２」に規定された測定方法で求めることができる。また、供給側流路材を一定の四方片に切断して、その切断片の縦×横×厚みを掛け合わした見かけ体積がｖであり、その切断片の乾燥重量がＷである。これらにより求まる空隙比ｅは、０よりも大きく１未満である。

上記において、供給側流路材の面内垂直方向における横糸の径を縦糸の径よりも小さくすることが好適である。供給側流路の構成において、供給液流れ方向に交差している横糸の径を縦糸の径よりも小さくすることで、供給液の流路断面積を大きくすることができることから、供給側流路の流れの阻害や閉塞に有効であり、流路の圧力損失を低減できる。

この発明によると、供給側流路材の縦糸より細い横糸を有し、かつ供給液の流路となる供給側流路材の空隙比が適度であるため、供給側の圧力損失を十分低減でき、しかも供給側流路の流れの阻害や閉塞の問題を生じにくくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の膜エレメントは、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられている構造を有する（図示せず）。かかる膜エレメントは、供給側流路材以外に関しては、従来公知の分離膜、透過側流路材、中空状中心管などが何れも採用できる。例えば、供給側流路材と透過側流路材が複数用いられる場合には、複数の膜リーフが中空状中心管の周りに巻きつけられた構造となる。

図１は、本発明に係る膜エレメントの供給側流路材の一例を示す図である。供給側流路材は、供給液の流れ方向に路平行な縦糸１とその縦糸１より細い横糸２とを有し、縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）が１／１．１〜１／１．３で、かつ供給側流路材の空隙比ｅが０．８０〜０．９０であることを特徴としている。本発明の膜エレメントは、逆浸透濾過、限外濾過、精密濾過など、何れの濾過方法にも適用できるが、上記のような供給側流路材は、主に除濁を目的とする際に、特にその効果が発揮される。

ここで、空隙比は、０．８０〜０．９０が好ましく、さらに０．８５〜０．８８であることがより好ましい。この範囲より空隙比が小さくなると、供給側流路の流れの阻害により、圧力損失が高くなる傾向がある。また、この範囲より空隙比が大きくなると、供給側流路材の強度低下により、流路の安定な維持が困難となる傾向がある。

また、供給液に浮遊する成分の供給側流路材での引っかかりによる抵抗増大や供給側流路材での圧力損失低減などの問題に対しては、このように供給側流路材の縦糸間隔と横糸間隔及び供給側流路材の空隙比を規定することにより解決できる。

供給側流路材の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミドなどの樹脂の他、天然高分子、ゴムなどが挙げられるが、樹脂を使用するのが好ましい。

縦糸１及び横糸２は、マルチフィラメントでもモノフィラメントでもよいが、流路の妨げとなりにくいモノフィラメントが好ましい。また、縦糸１と横糸２とは、融着や接着などにより相互に固着されていてもよく、織物であってもよい。ただし、流路を安定に維持する上で、縦糸１と横糸２とが固着されているものが好ましい。さらに、縦糸１に対する横糸２の傾斜角度θは、例えば０°よりも大きく８０°以下であればよいが、横糸２による流動抵抗を小さくする観点から３０°〜７０°が好ましく、４５°〜６０°がより好ましい。また、縦糸１と横糸２との配置は、図１に示すように、複数配列した縦糸１の片側に全ての横糸２が配置される構造が好ましい。かかる構造によると、供給側流路材の抵抗を低減できるという効果が得られる。

縦糸間隔Ｌ１と横糸間隔Ｌ２の比（Ｌ１／Ｌ２）は、１／１．１〜１／１．３が好ましく、さらに１／１．１〜１／１．３であることがより好ましい。比（Ｌ１／Ｌ２）をこの範囲内にすることにより、供給液流れ方向の圧力損失を低減でき、しかも供給側流路の流れの阻害や閉塞の問題が生じにくいスパイラル型分離膜エレメントが得られる。しかし、この範囲より比（Ｌ１／Ｌ２）が小さくなると、供給側流路材での供給液流れ方向の圧力損失が増大するという不都合がある。また、この範囲より比（Ｌ１／Ｌ２）が大きくなると、逆流洗浄（逆洗）において分離膜の動きにより供給側流路の原水側の圧力損失が増大するという不都合がある。

また、供給液の流れによる圧力損失低減の課題に対しては、図２（ａ）に示すように、供給液流れ方向に交差している横糸２を細くすることで、供給液の流路断面積を大きくすることができ、供給側流路の流れの阻害や閉塞に有効であり、流路の圧力損失を低減できる。

つまり、従来の供給側流路材は、横糸と縦糸がほぼ同じ径で形成されており、供給側流路の原水側の断面積のうち、実際の流路断面積としては１／２に満たない。本発明の供給側流路材では、縦糸１に対する横糸２の径比率を小さくすることで、流路断面積が増加し、圧力損失は従来のものに比べ小さくすることが可能となる。具体的には、縦糸１：横糸２の径比率が、４：１〜２：１であることが適正であるとの本発明者の知見を得ている。縦糸１及び横糸２の断面形状については、図２（ｂ）に示すように、縦糸１は円形状又は略円形状であることが好ましく、横糸２はその長径が供給側流路材の面内に対し平行な楕円形状であることが好ましい。これにより、逆流洗浄（逆洗）やフラッシング洗浄などの物理洗浄に於いて、分離膜に対し負荷が小さく、長期間にわたって高い透過流束を維持しつつ安定した運転が可能になる。尚、横糸２が楕円形状の場合、前記の径比率は、横糸２の短径の値を用いる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。効果の確認は、（１）供給側流路材単体での実施、（２）膜エレメントとしての実施、（３）膜エレメントとしての長時間実施、によって行った。なお、本発明が、かかる実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。

（１）供給側流路材単体での実施
＜実施例１＞
本発明で用いる供給側流路材として、供給側流路材厚み０．７１ｍｍ，縦糸径０．５ｍｍ，横糸径０．２ｍｍ，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．８８のポリプロピレン製ネットを平行平板セル（流路幅：３５ｍｍ，流路長：１４５ｍｍ）にセットして、２５℃の純水を流して、供給流量と圧力損失を測定し、その結果を図３に示した。

＜実施例２＞
本発明で用いる供給側流路材として、供給側流路材厚み０．６９ｍｍ，縦糸径０．４ｍｍ，横糸径０．２５ｍｍ，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．８５のポリプロピレン製ネットを平行平板セル（流路幅：３５ｍｍ，流路長：１４５ｍｍ）にセットして、２５℃の純水を流して、供給流量と圧力損失を測定し、その結果を図３に示した。

＜比較例１＞
供給側流路材厚み０．７１ｍｍ，縦糸径０．２６〜０．３５ｍｍのせん断形状，横糸径０．３１〜０．３５ｍｍのせん断形状，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．７５のポリプロピレン製ネットを平行平板セル（流路幅：３５ｍｍ，流路長：１４５ｍｍ）にセットして、２５℃の純水を流して、供給流量と圧力損失を測定し、その結果を図３に示した。

＜比較例２＞
供給側流路材厚み０．６２ｍｍ，縦糸径０．２７〜０．３６ｍｍのせん断形状，横糸径０．２０〜０．３０ｍｍのせん断形状，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．９３のポリプロピレン製ネットでは、流路材としての強度不足のため形状を保てない結果となり、実施例１及び実施例２のような安定した圧力損失測定ができなかった。

＜結果＞
図３に示す実施例１及び２に見られるように、比較例１に示す従来の流路材の１／３〜２／３程度の圧力損失に抑えることができた。

（２）膜エレメントとしての実施
＜実施例３＞
本発明で用いる供給側流路材として、供給側流路材厚み０．６９ｍｍ，縦糸径０．４ｍｍ，横糸径０．２５ｍｍ，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．８７のポリプロピレン製ネットを使い、直径が２０ｃｍ、全長が１ｍの膜エレメントを作製した。この膜エレメントの供給側に純水を流して、供給流量と入出口圧力損失を測定し、その結果を図４に示した。

＜比較例３＞
供給側流路材厚み０．７１ｍｍ，縦糸径０．２６〜０．３５ｍｍのせん断形状，横糸径０．３１〜０．３５ｍｍのせん断形状，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．７５のポリプロピレン製ネットを使い、直径が２０ｃｍ、全長が１ｍの膜エレメントを作製した。この膜エレメント供給側に純水を流して、供給流量と入出口圧力損失を測定し、その結果を図４に示した。

＜結果＞
実施例３を比較例３と比較すると、実際の膜エレメントにおいても、比較例３の供給側流路材より圧力損失を抑えることができることがわかった。

（３）膜エレメントとしての長時間実施
＜実施例４＞
本発明で用いる供給側流路材として、供給側流路材厚み０．６９ｍｍ，縦糸径０．４ｍｍ，横糸径０．２５ｍｍ，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．８７のポリプロピレン製ネットを使い、直径が２０ｃｍ、全長が１ｍでＰＶＤＦ膜の除濁用スパイラル型限外濾過エレメントを作製した。この膜エレメントを３本直列接続して、海水を供給水として全量濾過運転を行なった。海水の濁度は約１ＮＴＵ、濾過流量は５ｍ^３／ｈｒ、１５分に１回逆洗を行なった。その時の膜エレメントの供給側入口圧力と濾過側圧力の差である濾過差圧を測定し、その結果を図５に示した。

＜比較例４＞
供給側流路材厚み０．７１ｍｍ，縦糸径０．２６〜０．３５ｍｍのせん断形状，横糸径０．３１〜０．３５ｍｍのせん断形状，縦糸間隔３．５ｍｍ，横糸間隔４ｍｍ，縦糸と横糸の交差角度５０°で、縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１４，空隙比０．７５のポリプロピレン製ネットを使い、直径が２０ｃｍ、全長が１ｍでＰＶＤＦ膜の除濁用スパイラル型限外濾過エレメントを作製した。この膜エレメントを３本直列接続して、海水を供給水として全量濾過運転を行なった。海水の濁度は約１ＮＴＵ、濾過流量は５ｍ^３／ｈｒ、１５分に１回逆洗を行なった。その時の膜エレメントの供給側入口圧力と濾過側圧力の差である、濾過差圧を測定し、その結果を図５に示した。

＜結果＞
比較例４の供給側流路材では、供給水入口部で濁質成分が供給流路材に引っかかり、これが抵抗となり、供給圧力が高くなって濾過差圧が上昇した。一方、実施例４の供給側流路材は、流路抵抗が小さいため濁質成分が供給水入口部で滞留することがないため、供給水入口圧力が上昇しなかった。この実施例からも実施例４の供給側流路材が効果的であることがわかった。

この供給側流路材は、用途を何ら限定するものではないが、主に濁質のある排水など（原水）の処理目的とする分離膜エレメント、または低圧で使用する分離膜エレメントに使われる際にその効果が発揮される。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントの供給側流路材の一例を示す説明図上記供給側流路材の横糸と縦糸との関係を例示する説明図実施例１、２と比較例１における流量と圧力損失の関係を示すグラフ実施例３と比較例３における流量と圧力損失の関係を示すグラフ実施例４と比較例４における濾過差圧の関係を示すグラフ従来のスパイラル型分離膜エレメントの供給側流路材の一例を示す説明図

符号の説明

１縦糸
２横糸
Ｌ１縦糸間隔
Ｌ２横糸間隔
θ 縦糸１に対する横糸２の傾斜角度

Claims

分離膜と供給側流路材及び透過側流路材が、有孔の中空状中心管の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記供給側流路材が、供給液の流れ方向に平行な縦糸と供給液流れ方向に交差する横糸とに繋がっており、その縦糸間隔と横糸間隔の比が１：１．１〜１．３であり、かつ、その空隙比ｅが０．８０〜０．９０であることを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。
供給側流路材の面内垂直方向における横糸の径が縦糸の径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。