JP2006116523A - Liquid separation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体分離装置に関し、詳しくは、液状混合物の成分を膜分離するスパイラル型分離膜モジュールを用いた液体分離装置に関する。 The present invention relates to a liquid separation apparatus, and more particularly, to a liquid separation apparatus using a spiral separation membrane module that performs membrane separation of components of a liquid mixture.
従来より、液状混合物の成分を分離するために、膜分離による逆浸透分離装置、限外ろ過装置、あるいは精密ろ過装置などが用いられている。具体的には、流体分離装置において、加圧供給原流体を導入し、膜を通過して有孔の中空管に導かれる透過流体と、その残余の濃縮流体に分離するものである。こうした液体分離装置には、複数の膜エレメントを有するスパイラル型分離膜モジュール(以下「膜モジュール」という。)が多用されている。 Conventionally, a reverse osmosis separation device by membrane separation, an ultrafiltration device, a microfiltration device or the like has been used to separate components of a liquid mixture. Specifically, in the fluid separation device, a pressurized supply raw fluid is introduced and separated into a permeated fluid that passes through the membrane and is guided to a perforated hollow tube, and the remaining concentrated fluid. In such a liquid separation device, a spiral separation membrane module (hereinafter referred to as “membrane module”) having a plurality of membrane elements is frequently used.
例えば、膜エレメントを2個使用してなる従来の流体分離装置の一例を第1図に示す。この断面図に示すように、従来の膜エレメント1の構造は、膜の供給側に供給側流路材を、透過側に透過側流路材を配置した積層体が有孔の中空管2にスパイラル状に巻回され、供給側流路と透過側流路とが直接連通しないための封止構造を有する。このような従来型の膜エレメント1においては、その中心部を通る有孔中空管2の端部同士、あるいは有孔中空管2の端板3bと端板3bのポート4の間が内部継手5により連結され、互いに直列に接合され円筒容器6に収納されている。かかる円筒容器6の両端は、端板3a,3bで閉塞され、ボルト7で固着されている。一方の端板には供給流体入口31aが形成され、他方の端板には濃縮流体出口31bが形成され、その端板の中心から内側に向かって形成されたポート4に透過流体出口31cが穿孔されている(例えば特許文献1参照)。尚、8はプロダクトパッキンであり、9はU−パッキンであり、10はスペシャルアダプターであり、11はプラグを示す。
しかしながら、上述のような従来型の液体分離装置においては、必ず膜エレメントをFRP、ステンレス等によって製作される円筒形容器に収納して構成されるため、装置の荷重が増大し、円筒型容器のコスト負荷が装置全体のコストに占める割合は非常に大きいものとなっている。 However, in the conventional liquid separation apparatus as described above, since the membrane element is always housed in a cylindrical container made of FRP, stainless steel, etc., the load on the apparatus increases, The ratio of the cost load to the cost of the entire apparatus is very large.
また、液体分離装置は、比較的高圧の液体を扱うことから、こうした圧力条件においても溶液の漏れのない容器構造を要求される。膜モジュールの内部には、供給流体、濃縮流体、および透過流体が分離された流れを形成しており、従来の構成のように、例えば、外部配管との接続を膜モジュールの内部で継ぎ手を用いて行う方法では、流体の漏れや混入を阻止することが難しい。 Further, since the liquid separation apparatus handles a relatively high-pressure liquid, a container structure that does not leak a solution even under such a pressure condition is required. Inside the membrane module, a flow in which the supply fluid, concentrated fluid, and permeate fluid are separated is formed. For example, a connection is used inside the membrane module to connect to external piping as in the conventional configuration. In this method, it is difficult to prevent fluid leakage and contamination.
そこで、本発明の目的は、こうした円筒型容器を必要としない膜モジュールを用い、簡便な構造で耐圧強度の信頼性が高く、かつ結合部において漏れの発生しない密着度の高い構造を有する液体分離装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to use a membrane module that does not require such a cylindrical container, and has a simple structure, high pressure-resistant strength reliability, and a liquid separation structure having a high degree of adhesion that does not cause leakage at the joint. Is to provide a device.
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す液体分離装置により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies, the present inventor has found that the above object can be achieved by a liquid separation apparatus shown below, and has completed the present invention.
本発明は、液体分離装置であって、供給側に供給側流路材を配置し、透過側に透過側流路材を配置した積層体が有孔の中空管にスパイラル状に巻回され、供給側流路と透過側流路とが直接連通しないための封止構造を有する膜エレメントからなるスパイラル型膜モジュールにおいて、最外周面を直接樹脂で覆い、その樹脂によって前記膜エレメントの両端部に結合用部材を固着し、圧力容器としての機能を付加することを特徴とする。 The present invention is a liquid separation apparatus, in which a laminated body in which a supply-side flow path material is disposed on the supply side and a permeation-side flow path material is disposed on the permeation side is spirally wound around a perforated hollow tube. In the spiral membrane module comprising a membrane element having a sealing structure for preventing the supply-side channel and the permeate-side channel from communicating directly, the outermost peripheral surface is directly covered with a resin, and both end portions of the membrane element are covered with the resin. A connecting member is fixed to the base plate, and a function as a pressure vessel is added.
本発明者は、膜モジュールの構成について検討した結果、その最外周面を直接樹脂で覆うとともに、膜エレメントの両端部に結合用部材をその樹脂で固着することによって、圧力容器としての機能を付加することができることを案出したもので、簡便な構造で耐圧強度の信頼性が高く、かつ結合部において漏れの発生しない密着度の高い構造を有する液体分離装置を提供することが可能となった。また、これによって高価な円筒型容器を必要としない低価格の液体分離装置とすることができる。 As a result of studying the configuration of the membrane module, the present inventor added a function as a pressure vessel by directly covering the outermost peripheral surface with a resin and fixing bonding members to both ends of the membrane element with the resin. It is possible to provide a liquid separation device having a simple structure, high pressure-strength strength reliability, and a structure with a high degree of adhesion that does not cause leakage at the joint. . Moreover, it can be set as the low cost liquid separation apparatus which does not require an expensive cylindrical container by this.
本発明は、前記液体分離装置であって、前記スパイラル型膜モジュールを、前記樹脂が環状に覆うことを特徴とする。 The present invention is the liquid separation device, wherein the resin covers the spiral membrane module in an annular shape.
上記のように、液体分離装置としては、液の流路を形成するとともに筐体として維持するために、円筒型容器に相当する構成要素を有する膜モジュールを形成する必要がある。本発明においては、膜エレメントの最外周面を、樹脂により全幅にわたって環状に覆うことによって、円筒型容器と同等の機能を有し、簡便な構造で信頼性が高い液体分離装置を構成することができる。 As described above, the liquid separation device needs to form a membrane module having components corresponding to a cylindrical container in order to form a liquid flow path and maintain it as a casing. In the present invention, by covering the outermost peripheral surface of the membrane element in a ring shape with resin over the entire width, a liquid separator having a function equivalent to that of a cylindrical container and having a simple structure and high reliability can be configured. it can.
本発明は、前記液体分離装置であって、前記スパイラル型膜モジュールが、構造補強材を有することを特徴とする。 The present invention is the liquid separation device, wherein the spiral membrane module has a structural reinforcing material.
膜エレメントの最外周面を、構造補強材を含有する樹脂により全幅にわたって覆うことによって、円筒型容器に相当する構成要素を有する膜モジュールを形成し、液の流路を形成するとともに筐体として維持することができる。従って、簡便な構造で耐圧強度の信頼性が高い液体分離装置を構成することができる。特に、樹脂を環状に覆うことによって、円筒型容器と同等の機能を確保することができることから、さらに機能の向上を図ることができる。 By covering the outermost surface of the membrane element over the entire width with a resin containing a structural reinforcing material, a membrane module having components equivalent to a cylindrical container is formed, and a liquid flow path is formed and maintained as a housing can do. Therefore, it is possible to configure a liquid separation device with a simple structure and high reliability in pressure strength. In particular, by covering the resin in an annular shape, it is possible to ensure a function equivalent to that of the cylindrical container, so that the function can be further improved.
本発明は、前記液体分離装置であって、前記結合用部材が供給流体入口用外部配管および濃縮流体出口用外部配管との結合用接続部を有するとともに、前記樹脂とを固着する部位を有することを特徴とする。 The present invention provides the liquid separation device, wherein the coupling member has a connection portion for coupling with an external pipe for supplying fluid inlet and an external pipe for concentrated fluid outlet, and has a portion for fixing the resin. It is characterized by.
液体分離装置においては、各種の用途に対応することから、供給流体入口用外部配管および濃縮流体出口用外部配管と任意に接続可能であるとともに膜モジュールとしての筐体を維持することを要求される。本発明においては、これらを膜エレメントの両端を固定する結合用部材によって構成したもので、部品点数の少ない簡便な構造で、耐圧強度の信頼性が高い、かつ汎用性の高い液体分離装置を構成することができる。 In the liquid separator, since it corresponds to various applications, it is required to be arbitrarily connectable with the external pipe for the supply fluid inlet and the external pipe for the concentrated fluid outlet, and to maintain the casing as the membrane module. . In the present invention, these are constituted by coupling members for fixing both ends of the membrane element, and a liquid separator having a simple structure with a small number of parts, high reliability of pressure resistance and high versatility is constructed. can do.
本発明は、前記液体分離装置であって、その内面に少なくとも1つの凹部を設けた前記結合用部材を、前記スパイラル型膜モジュールの少なくとも一方の端面に固着することを特徴とする。 The present invention is the liquid separation device, characterized in that the coupling member having at least one recess formed on the inner surface thereof is fixed to at least one end surface of the spiral membrane module.
上記のように、膜エレメントの両端を固定する結合用部材は、該端面と密着性の高いほど膜エレメントおよび筐体としての膜モジュールの堅固さが保持され、高い耐圧強度を有することが可能である一方、膜エレメントの端面は供給流体の導入口あるいは濃縮流体の排出口であることから、一定の空隙を有する流路の確保が不可欠である。本発明においては、その内面に少なくとも1つの凹部を設けた結合用部材を膜エレメントの端面に固着することによって、こうした相反することがある機能を確保したものであり、簡便な構造で耐圧強度の信頼性が高い液体分離装置を構成することができる。 As described above, the bonding member that fixes both ends of the membrane element has higher pressure resistance and strength because the tightness of the membrane element and the membrane module as the housing is maintained as the adhesion to the end surface increases. On the other hand, since the end face of the membrane element is an inlet for supplying fluid or an outlet for concentrated fluid, it is essential to secure a flow path having a certain gap. In the present invention, a bonding member provided with at least one recess on its inner surface is secured to the end face of the membrane element, thereby ensuring such functions that may conflict with each other. A highly reliable liquid separation apparatus can be configured.
本発明は、前記液体分離装置であって、前記中空管と透過流体出口用外部配管との結合部を、前記結合用部材の外面よりも外側に有することを特徴とする。 The present invention is the liquid separation device, wherein a coupling portion between the hollow tube and the permeating fluid outlet external pipe is provided outside the outer surface of the coupling member.
膜モジュールの内部に流れる供給流体、濃縮流体および透過流体の分離した流れを形成するには、構造的に漏れや混入を排除することが好ましい。本発明においては、透過流体の流れの独立性を確保することによって、各流体の混入を防止することが可能である。具体的には、供給流体と濃縮流体のいずれかと取り合い部を有する結合用部材において、透過流体との取り合い部を設けずに、かつ結合用部材の外面よりも外側において外部配管と接続することによって、こうした流路の独立性を確保することが可能となる。 In order to form a separated flow of the supply fluid, the concentrated fluid and the permeate fluid flowing inside the membrane module, it is preferable to structurally eliminate leakage and contamination. In the present invention, it is possible to prevent mixing of each fluid by ensuring the independence of the flow of the permeating fluid. Specifically, in a coupling member having a mating portion with either the supply fluid or the concentrated fluid, by connecting to an external pipe outside the outer surface of the coupling member without providing a mating portion with the permeating fluid. Thus, it becomes possible to ensure the independence of such a flow path.
本発明は、前記液体分離装置であって、前記結合用部材と前記膜エレメントとの間隙に封止部材が設けられていることを特徴とする。 The present invention is the liquid separation device, wherein a sealing member is provided in a gap between the coupling member and the membrane element.
結合用部材と膜エレメントとの間隙に封止部材を設け間隙部を封することにより、スパイラル型膜モジュールに流れる供給流体、またはスパイラル型膜モジュールから流れる排出供給流体によって、結合用部材と膜エレメントとの間隙からリークするのを防止することができる。 By providing a sealing member in the gap between the coupling member and the membrane element and sealing the gap, the coupling member and the membrane element are supplied by the supply fluid that flows into the spiral membrane module or the discharged supply fluid that flows from the spiral membrane module. It is possible to prevent leakage from the gap.
以上のように、膜モジュールの最外周部への樹脂の被覆、および結合用部材の形状・流路との取り合いを工夫することによって、簡便な構造で耐圧強度の信頼性が高く、かつ結合部において漏れの発生しない密着度の高い構造を有する液体分離装置を提供することが可能となる。 As described above, by devising the resin coating on the outermost peripheral part of the membrane module and the connection with the shape and flow path of the coupling member, the pressure resistance strength is reliable with a simple structure and the coupling part. Thus, it is possible to provide a liquid separation device having a structure with a high degree of adhesion that does not leak.
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第2図は、本発明に係る膜モジュールの断面図を例示したものである。膜エレメント102の両端にエンドキャップ(結合用部材)103を有し、エンドキャップ103が供給流体入口用外部配管(図示せず)および濃縮流体出口用外部配管(図示せず)との結合用接続部107,111を有する。以下、膜モジュールの外部および内部の構成について詳述する。
FIG. 2 illustrates a cross-sectional view of a membrane module according to the present invention. End caps (joining members) 103 are provided at both ends of the
膜エレメント102の外周部については、その最外周面を全幅にわたって樹脂101によって直接覆い、また、環状に覆うことで形成している。この樹脂101は、膜エレメント102の外周を密封して保護するとともに、エンドキャップ103を膜エレメント102に固着する作用を持っている。
About the outer peripheral part of the
かかる樹脂101の材料は、例えば、強化プラスチック(FRP)を使用することができる。また、膜エレメント102を環状に覆う方法は、いわゆるフィラメントワインディング法により行い、ガラス繊維を樹脂に含浸させて巻き付け、硬化させて膜モジュールを形成する。フィラメントワインディング法によってガラス繊維を樹脂101に含浸させて膜エレメント102の外周部に巻き付ける際に、樹脂101とともに構造補強材112を巻きこむことにより外周部の強度を高めることができる。
As the material of the
構造補強材112は、膜エレメント102の外周部の一部もしくは全部を覆うものであり、構造は特定しないが、外周部を覆うことが可能であるシート状の構造体が好ましい。また、材質については、例えば、ガラス繊維や炭素繊維などが挙げられる。
The structural reinforcing
外周部を覆う樹脂101とエンドキャップ103とのシールについては、エンドキャップ103の外径面に段部108を設けることによって、最外周面を覆う樹脂101と固着する部位が増え、固着されやすくなる。また、かかるエンドキャップ103の外径面の段部108の固着位置に、例えば、エポキシ樹脂のような接着樹脂を使用しても良い。
Regarding the seal between the
このとき、エンドキャップ103の外径面の段部108の固着位置に、例えば、第3図に例示するような、凹凸部201を有することによって、固着部位の強度を高めることが可能となる。
At this time, it is possible to increase the strength of the fixing portion by having the
エンドキャップ103と膜エレメント102との接触面については、第4図のように、膜エレメント102の端面との接合部位を、少なくとも1つの空隙(凹部)301を保持する構造にすることによって、エンドキャップ103と膜エレメント102との間に所定の空間を確保することができることから、膜モジュールへの供給流体の流れ及び膜モジュールからの排出流体の流れを改善することが可能である。
As for the contact surface between the
また、膜エレメント102の両端部付近に於いて、膜エレメント102とエンドキャップ103の内周面との間に間隙が存在する場合、この間隙を埋めるための封止部材401を設けてもよい(第5図参照)。膜エレメント102とエンドキャップ103の内周面との間に間隙が存在すると、膜エレメント102の外周部へ供給流体の流れ及び膜モジュールからの排出供給流体の流れからのリークが発生する恐れがある。さらに、このリークが樹脂101内を通ずることにより、膜モジュールから外部へのリークを引き起こす恐れがある。従って、第5図に示すように、封止部材401を用いて前記の間隙を埋めることにより、これらのリークを抑止することが可能になる。前記封止部材401としては、間隙を埋めるものであれば特に限定されない。密着性及び作業性の観点からは、例えばウレタン樹脂、エポキシ樹脂などの接着樹脂が好ましい。
Further, when there is a gap between the
また、中空管105と透過流体出口用外部配管(図示せず)との結合用接続部(結合部)106を、エンドキャップ103の外側に有する構造にすることによって、結合部106での供給流体や濃縮流体の混入を防ぐことが可能である。つまり、中空管105と透過流体出口用外部配管との結合部がそれぞれ中空管105とエンドキャップ103、エンドキャップ103と外部配管というようにエンドキャップ103を介して結合された場合には、結合部での供給流体や濃縮流体の混入を生じさせることがあるためである。中空管105用の貫通部をエンドキャップ103に設け、中空管105とエンドキャップ103とのシールを貫通部の内部に設けたO−リング104,109によって行い、結合部106をエンドキャップ103の外側に有する構造によって、透過流体出口用外部配管との結合部106において漏れの発生しない密着度の高い構造とすることが可能となる。従って、こうした構成によって、各流体の漏れや混入の可能性を有効に排除することができる。
Further, by providing a connection portion (coupling portion) 106 for coupling the
また、中空管105の他端は、密栓110によってシールされ、透過流体の漏れおよび他の流体の混入を防止している。
Further, the other end of the
以上、本発明に係る液体分離装置の代表的実施形態について説明したが、本発明は、こうした膜エレメントあるいは結合用部材などの構成に限定されるものでないことはいうまでもなく、各種の用途に適した構造を適用することが可能である。 As mentioned above, although typical embodiment of the liquid separation apparatus concerning this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the structure of such a membrane element or a member for coupling | bonding, For various uses. It is possible to apply a suitable structure.
以下、具体的実施例により本発明をさらに説明する。また、実施例等における評価項目は下記のように算出した。なお、本発明がかかる実施例、評価方法に限定されるものでないことはいうまでもない。 Hereinafter, the present invention will be further described with reference to specific examples. In addition, evaluation items in Examples and the like were calculated as follows. In addition, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this Example and evaluation method.
<評価方法>
(1)塩化ナトリウム阻止率
膜モジュールの塩化ナトリウム阻止率Rは、次式によって算出する
R=(1−Cp/Cf)×100 [%]ここで、Cpは透過液中の塩化ナトリウム濃度、Cfは(供給液中の塩化ナトリウム濃度+濃縮液中の塩化ナトリウム濃度)/2をいう。
<Evaluation method>
(1) Sodium chloride rejection rate The sodium chloride rejection rate R of the membrane module is calculated by the following equation: R = (1−Cp / Cf) × 100 [%] where Cp is the concentration of sodium chloride in the permeate, Cf Means (concentration of sodium chloride in the feed solution + concentration of sodium chloride in the concentrate) / 2.
<実施例1>
本発明に基づく第2図の構造の膜モジュールにおいて透過流体出口用外部配管、濃縮流体出口用外部配管、供給流体入口用外部配管を接続し、0.15%塩化ナトリウム水溶液を原水として、水温25℃、pH7.0、圧力1.05MPa、濃縮水流量35L/minの一定の条件で性能評価を実施した結果、塩化ナトリウム阻止率99.2%、透過流量11.4m3/dであった。
<Example 1>
In the membrane module having the structure of FIG. 2 according to the present invention, an external pipe for the permeate fluid outlet, an external pipe for the concentrated fluid outlet, and an external pipe for the supply fluid inlet are connected, and the water temperature is 25 using 0.15% sodium chloride aqueous solution as raw water. As a result of performance evaluation under constant conditions of ° C., pH 7.0, pressure 1.05 MPa, and concentrated water flow rate 35 L / min, the sodium chloride rejection was 99.2% and the permeation flow rate was 11.4 m 3 / d.
<比較例1>
本発明の図2の膜エレメントと同構造の膜エレメントを従来の円筒容器に収め、0.15%塩化ナトリウム水溶液を原水として、水温25℃、pH7.0、圧力1.05MPa、濃縮水流量35L/minの一定の条件で性能評価を実施した結果、塩化ナトリウム阻止率99.2%、透過流量11.4m3/dであった。
<Comparative Example 1>
The membrane element having the same structure as the membrane element of FIG. 2 of the present invention is placed in a conventional cylindrical container, and a 0.15% sodium chloride aqueous solution is used as raw water, a water temperature of 25 ° C., a pH of 7.0, a pressure of 1.05 MPa, and a concentrated water flow rate of 35 L. As a result of performance evaluation under a constant condition of / min, the sodium chloride rejection was 99.2% and the permeation flow rate was 11.4 m 3 / d.
<評価結果>
上記試料を評価した結果、実施例1と比較例1ともに、ほぼ同等の性能を確保することができた。従って、本発明に係る簡便な構成による液体分離装置が、十分実用化できることが判明した。
<Evaluation results>
As a result of evaluating the above samples, almost the same performance could be ensured in both Example 1 and Comparative Example 1. Therefore, it has been found that the liquid separator having a simple configuration according to the present invention can be sufficiently put into practical use.
<実施例2>
本発明に基づく第5図の構造の膜モジュールにおいて、膜エレメント102とエンドキャップ103との間隙を封止するため封止部材401を設けた。封止部材401としてはウレタン樹脂(H.B.フーラー(株)製)を用いた。この膜モジュールに、0.15%塩化ナトリウム水溶液を原水として、水温25℃、pH7.0、圧力2.1MPa、濃縮水流量20L/minの一定の条件で通水した。その結果、膜モジュールの樹脂の外周部から漏れが生じていないことが確認された。
<Example 2>
In the membrane module having the structure of FIG. 5 according to the present invention, a sealing
<実施例3>
本発明に基づく第5図の構造の膜モジュールにおいて、膜エレメント102とエンドキャップ103との間隙に封止部材を設けることなく、0.15%塩化ナトリウム水溶液の原水を通水した。通水の条件は、水温25℃、pH7.0、圧力2.1MPa、濃縮水流量20L/minとした。その結果、膜モジュールの樹脂の外周部から漏れが生じていることが確認された。
<Example 3>
In the membrane module having the structure shown in FIG. 5 based on the present invention, the raw water of 0.15% sodium chloride aqueous solution was passed through without providing a sealing member in the gap between the
101 樹脂
102 膜エレメント
103 エンドキャップ(結合用部材)
104、109 O−リング
105 中空管
106 透過流体出口用外部配管との結合用接続部
107 濃縮流体出口用外部配管との結合用接続部
108 段部
110 密栓
111 供給流体入口用外部配管との結合用接続部(結合部)
112 構造補強材
201 凹凸部
301 空隙(凹部)
401 封止部材
101
104, 109 O-
112
401 Sealing member
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