JP2009233629A - 流体分離素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 集水管軸方向に、樹脂の膨潤による伸長を抑制しうる強度をもつ繊維を効率的に配向させることで、伸長の小さい流体分離素子を提供する。
【解決手段】 集水管の周りに膜ユニットをスパイラル状に巻回した巻囲体の外周に繊維強化プラスチック層を有する流体分離素子において、繊維強化プラスチック層のうちの少なくとも一層が、フープ巻きされた繊維を含む層であり、繊維強化プラスチック層中の繊維の一部が、集水管軸と略平行に配向して配置されており、かつ、集水管軸に略平行に配向された繊維の高弾性率繊維である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、逆浸透装置やナノ濾過装置、さらには限外濾過装置、精密濾過装置等に好適に用いられる流体分離素子およびその製造方法に関する。

近年、海水淡水化や半導体分野における超純水用途、さらには、一般かん水用途や有機物分離、排水再利用などを始めとする膜の透過液または濃縮液を利用するさまざまな流体分離分野において、分離膜を用いた流体分離素子の使用が急速に増加してきている。

流体分離素子の形態としては、中空糸膜を用いたものや、平膜を用いたプレートフレーム型やスパイラル型があげられる。この中で、スパイラル型の流体分離素子は、分離膜が透過液流路材と原液流路材と共に集水管の周りにスパイラル状に巻き付けられた構造をとる。このスパイラル型流体分離素子の代表的な形態の一部分解斜視図を図４に示す。このような分離素子は、第１の分離膜および第２の分離膜の３辺を互いに接着して形成した封筒状膜の膜間に透過液流路材１０を挟み込み、これに原液流路材１１を重ねて１つの膜ユニットとし、この膜ユニットを単数もしくは複数用意し、集水管２の周囲にスパイラル状に巻き回すことにより製造される。封筒状膜は集水管２側で開口している。

このスパイラル型流体分離素子において、原液６は、流体分離素子の一方の端面から供給され、第１の分離膜３および第２の分離膜４で分離処理される。分離膜３、４を透過した透過液は透過液流路材１０を伝って流れ（矢印１３）集水管２で集められ透過液１５として取り出される。分離膜３、４を透過しなかった原液６は、原液流路材１１を伝って流れ（矢印７）、流体分離素子の他方の端面から濃縮液１２として排出される。

通常スパイラル型の流体分離素子の長手方向の両端にはテレスコープ防止板９が取り付けられ、膜ユニットの巻回体の外側には、ガラス繊維とエポキシ樹脂の繊維強化プラスチック層（ＦＲＰシェル）が設けられている。この繊維強化プラスチック層５としては、繊維巻回物を補強材とする繊維補強樹脂層や、繊維布を補強材とする繊維布補強樹脂層が知られている（特許文献１、２参照）。この場合において、前者の繊維補強樹脂層は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維ロービングをフープ巻きやヘリカル巻きで巻き付けて樹脂硬化させることにより形成されている。後者の繊維布補強樹脂層は、エポキシ樹脂を塗布したガラス繊維平織物を巻付けて固定し樹脂硬化させることにより形成されている。

また、繊維強化プラスチック層の代わりに、テープ状のフィルムシートを巻き付けることにより外側体を形成することも知られている（特許文献３参照）。
特開２００７−２７５８７１号公報 特開平１１−２２６３６５号公報 特開２００５−２７９５５６号公報

ところが、エポキシ樹脂等の樹脂は一般的に水分や温度により体積膨張するため、流体分離素子の外周に設けた繊維強化プラスチック層も外部環境中の水分や温度によって膨張する傾向がある。例えば、強化繊維をフープ巻きやヘリカル巻きさせて繊維強化プラスチック層を設けた場合、強化繊維により周方向への膨張は抑制されるが、集水管軸方向への膨張は抑制できず、集水管軸方向に伸長した状態となり、圧力容器内へ所定本数を収納することが困難となる。

これの対策として、繊維強化プラスチック層の層厚を厚くすることや、繊維布補強することが考えられる。しかし、前者の場合は、その分、分離膜の充填量が減少してしまい性能が低下する問題がある。後者の場合には、繊維布を巻き付けるがために、その分、分離膜の充填量が減少してしまうという問題がある。

そこで本発明の目的は、集水管軸方向に、樹脂の膨潤による伸長を抑制しうる強度をもつ繊維を効率的に配向させることで、伸長の小さい流体分離素子を提供することである。

上記した課題を解決するために、本発明は以下の構成からなる。

すなわち、有孔の集水管の周りに、分離膜、原液流路材、および透過液流路材をスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に、繊維強化プラスチック層を有する流体分離素子において、該繊維強化プラスチック層のうちの少なくとも一層が、フープ巻きされた繊維を含む層であり、繊維強化プラスチック層中の繊維の一部が、集水管軸と略平行に配向して配置されており、かつ、集水管軸に略平行に配向された繊維が高弾性率繊維であることを特徴とする流体分離素子、である。

ここで、集水管軸と略平行に配向した繊維が、長さ１ｍｍ以上の短繊維もしくは長繊維であることが好ましい。また、繊維強化プラスチック層中の強化繊維として、配列された長繊維が集水管軸と略平行の方向を長手方向として配置されていることが好ましい。さらにまた、集水管軸と略平行に配向した繊維が、長さ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の短繊維であることが好ましい。

上記した本発明の流体分離素子は、有孔の集水管の周りに、分離膜、原液流路材、および透過液流路材をスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に繊維強化プラスチック層を形成させて請求項１記載の流体分離素子を製造する際、樹脂を含浸させた長繊維を集水管軸方向が長手方向となるように配置して繊維強化プラスチック層を形成すること、短繊維含有樹脂組成物を含浸させた繊維束をフープ巻きすることにより繊維強化プラスチック層を形成すること、又は、短繊維含有樹脂組成物を塗布することにより繊維強化プラスチック層を形成すること、のいずれか１以上を行うことにより製造することができる。

本発明によると、集水管軸方向の伸縮変形を防止できるスパイラル型流体分離素子を効率的に製造することができる。

従来の一般的なスパイラル型の流体分離素子を製造する場合、分離膜と流路材とを積層させた膜ユニット（前述したような膜ユニット）が集水管の周りに巻き回された後、その外側に、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維が巻き付けられ、これを硬化させて繊維強化プラスチック層（ＦＲＰシェル）が形成される。ここで、ガラス繊維の巻き形状は、樹脂硬化後に円筒形状の両端部の処理性を考慮して、集水管軸に対してほぼ直角となるフープ巻きであるため、流体分離素子の周方向に繊維が配向し、集水管軸方向には繊維が配向してない状態となり、集水管軸方向の強度が弱いものとなっている。

一般的に、エポキシ樹脂は水分や温度により膨潤する性質があるため、上記のような従来の流体分離素子の場合、運転中および水分存在下での保存により膨潤し、特に、ガラス繊維の配向方向とは異なる集水管軸方向に流体分離素子が伸長し、寸法的に余裕のない圧力容器内への収納が困難となる。

これに対し、本発明では、流体分離素子の伸長を抑制するために、高強度をもつ繊維を集水管軸方向に配向させて存在させているので、集水管軸方向の伸長を抑制することができる。

即ち、本発明の流体分離素子では、高強度をもち、長さ１ｍｍ以上の短繊維もしくは長繊維を集水管軸方向に配向させるが、そのための具体的な方法としては、次の方法があげられる。

（１） 長繊維の束を樹脂を含浸させた長繊維糸もしくは紡績糸を集水管軸方向が長手方向となるように配置して繊維強化プラスチック層を形成すること、
（２） 短繊維含有樹脂組成物を含浸させた繊維束をフープ巻きすることにより繊維強化プラスチック層を形成すること、
（３） 短繊維含有樹脂組成物を塗布することにより繊維強化プラスチック層を形成すること、

高強度繊維が集水管軸方向に配向して含有される層は、巻囲体の外周の繊維強化プラスチック層（ＦＲＰ層）のうちのいずれでもよい。例えば、ＦＲＰ層の上層、内層または下層の少なくともいずれかの場所であればよい。

本発明において用いる高弾性率繊維は、炭素繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、金属繊維などが挙げられ、縦弾性係数が１０ＧＰａ以上と高い繊維であればそれに限定されない。また、繊維の長さは１ｍｍ以上であることが好ましい。１ｍｍ未満のように短か過ぎる場合には、樹脂と混合してＦＲＰシェルとしても、樹脂と繊維がからまり難く、樹脂の伸長に対抗する効果が小さくなる。

短繊維や長繊維を集水管軸方向に配向させるための前記（１）の方法を採用する場合は、次のように行えばよい。有孔の集水管の周りに、分離膜、原液流路材および透過液流路材からなる膜ユニットをスパイラル状に巻回した後、その巻囲体の外周に、流体分離素子の略全長以上の繊維長をもつ長繊維糸に樹脂を含浸させた後、所定間隔をあけて略等間隔で、もしくは、外周全体にわたって貼り付ける。その樹脂含浸長繊維糸の長さが流体分離素子の全長以上と長い場合には、図２のように端部で折り返してもよい。このようにして、流体分離素子の集水管軸方向に樹脂含浸長繊維糸を配したのちに、樹脂を含浸させた長繊維糸をフープ巻きし、必要に応じて樹脂硬化させ、ＦＲＰ層を形成させる。ここで用いる長繊維糸は、所望長さがあれば紡績糸であってもよい。

前記（２）の方法を採用する場合は、長さ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以上１０mm以下の短繊維を混合させた樹脂組成物を、フープ巻用の長繊維糸に含浸させた後、これでフープ巻きしＦＲＰ層を形成させればよい。

前記（３）の方法を採用する場合は、長さ１ｍｍ以上、好ましくは50mm以上の短繊維や、または、長さ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以上１０mm以下の短繊維を含有させた樹脂組成物を、その短繊維が極力集水管軸方向に向くように、巻囲体の外周に塗布した後に、樹脂を含浸させた長繊維糸を巻き付けＦＲＰ層を形成させる方法がある。

繊維を配向させる好ましい方法としては、以上の方法が挙げられる。

ＦＲＰ層を形成させるために使用される樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、メチルメタアクリレートなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明におけるスパイラル型流体分離素子は、図４に示すような、分離膜と透過液流路材と原液流路材とで形成された膜ユニットを、集水管の周りにスパイラル状に巻き付けられた構造をとるスパイラル型の流体分離素子である。本発明における外側の繊維強化プラスチック層は、外周にプラスチック層を形成させる流体分離素子であれば、他のタイプの流体分離素子にも適用可能である。

以下、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。なお、本発明が以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
有孔の集水管の周りに、分離膜、原液流路材、および透過液流路材からなる膜ユニットをスパイラル状に巻回した。この巻囲体の外周に、エポキシ樹脂を含浸させたガラスロービング（オーウェンスコーニング製、１１５０ｔｅｘ）の束を、流体分離素子の全長の２倍より若干長い長さとし、Ｕ字状におよそ１８０°対称の位置に貼り付けた（図１参照）。その上にエポキシ樹脂を含浸させたガラスロービングを連続的にフープ巻きし、樹脂硬化させ、外周のＦＲＰシェルを形成させ、流体分離素子を製造した。

得られた流体分離素子を４０℃の温水中に２ヶ月浸漬させたところ、流体分離素子の集水管軸方向の全長は０．１％しか伸長しなかった。

（実施例２）
実施例１と同様に集水管の周りに膜ユニットをスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に、エポキシ樹脂を含浸させたガラスロービング（オーウェンスコーニング製、１１５０ｔｅｘ）の束を、およそ流体分離素子の全長より若干長い長さとし、この４本を、およそ外周９０°間隔での配置となるように間隔を空けて貼り付けた（図２参照）。その上にエポキシ樹脂を含浸させたガラスロービングを連続的にフープ巻きし、樹脂硬化させ、外周のＦＲＰシェルを形成させ、流体分離素子を製造した。

得られた流体分離素子を４０℃の温水に２ヶ月浸漬させたところ、流体分離素子の集水管軸方向の全長は０．１％しか伸長しなかった。

（実施例３）
実施例１と同様に集水管の周りに膜ユニットをスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に、エポキシ樹脂を含浸させたガラスロービング（オーウェンスコーニング製、１１５０ｔｅｘ）の束を、およそ流体分離素子の半分より若干長い長さとし、この８本を、およそ外周４５°間隔での交互配置となるように間隔を空けて貼り付けた。即ち、１本の繊維束を流体分離素子の長手方向片側端から中央に向けて貼り付け、もう１本の繊維束を反対側の端からと交互に貼り付け、その繊維束同士の間隔が外周９０°間隔となるようにした（図３参照）。その上にエポキシ樹脂を含浸させたガラスロービングを連続的にフープ巻きし、樹脂硬化させ、外周のＦＲＰシェルを形成させ、流体分離素子を製造した。

得られた流体分離素子を４０℃の温水に２ヶ月浸漬させたところ、流体分離素子の集水管軸方向の全長は０．１％しか伸長しなかった。

（実施例４）
ガラスロービング（オーウェンスコーニング製、１１５０ｔｅｘ）の束に、長さ５ｍｍの短繊維状ガラス繊維を０．５重量％含有させたエポキシ樹脂組成物を含浸させた。実施例１と同様に集水管の周りに膜ユニットをスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に、その樹脂含浸ガラスロービングを連続的にフープ巻きし、樹脂硬化させ、外周のＦＲＰシェルを形成させ、流体分離素子を製造した。

得られた流体分離素子を４０℃の温水に２ヶ月浸漬させたところ、流体分離素子の集水管軸方向の全長は０．１％しか伸長しなかった。

（比較例１）
実施例１と同様に集水管の周りに膜ユニットをスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に、エポキシ樹脂を含浸させたガラスロービングを連続的にフープ巻きし、樹脂硬化させ、外周のＦＲＰシェルを形成させ、流体分離素子を製造した。
得られた流体分離素子を４０℃の温水に２ヶ月浸漬させたところ、流体分離素子の集水管軸方向の全長が０．４％伸長した。

実施例１における長繊維束の貼り付け位置を示す斜視図である。 実施例２における長繊維束の貼り付け位置を示す斜視図である。 実施例３における長繊維束の貼り付け位置を示す斜視図である。 スパイラル型流体分離素子を示す一部分解斜視図である。

符号の説明

１ 流体分離素子
２ 集水管
３ 第１の分離膜
４ 第２の分離膜
５ 繊維強化プラスチック層（外周ＦＲＰ層）
６、７ 原液の流れ
９ テレスコープ防止板
１０ 透過液流路材
１１ 原液流路材
１２ 濃縮液の流れ
１３、１５ 透過液の流れ
１４ 繊維束

Claims (5)

1. 有孔の集水管の周りに、分離膜、原液流路材、および透過液流路材をスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に、繊維強化プラスチック層を有する流体分離素子において、該繊維強化プラスチック層のうちの少なくとも一層が、フープ巻きされた繊維を含む層であり、繊維強化プラスチック層中の繊維の一部が、集水管軸と略平行に配向して配置されており、かつ、集水管軸に略平行に配向された繊維が高弾性率繊維であることを特徴とする流体分離素子。
2. 集水管軸と略平行に配向した繊維が、長さ１ｍｍ以上の短繊維もしくは長繊維であることを特徴とする請求項１に記載の流体分離素子。
3. 繊維強化プラスチック層中の強化繊維として、配列された長繊維が集水管軸と略平行の方向を長手方向として配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体分離素子。
4. 集水管軸と略平行に配向した繊維が、長さ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の短繊維であることを特徴とする請求項１に記載の流体分離素子。
5. 有孔の集水管の周りに、分離膜、原液流路材、および透過液流路材をスパイラル状に巻回してなる巻囲体の外周に繊維強化プラスチック層を形成させて請求項１記載の流体分離素子を製造する際、樹脂を含浸させた長繊維を集水管軸方向が長手方向となるように配置して繊維強化プラスチック層を形成すること、短繊維含有樹脂組成物を含浸させた繊維束をフープ巻きすることにより繊維強化プラスチック層を形成すること、又は、短繊維含有樹脂組成物を塗布することにより繊維強化プラスチック層を形成すること、のいずれか１以上を行うことを特徴とする流体分離素子の製造方法。

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