JP2010042374A - Spiral type fluid separation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力容器内に複数枚の膜ユニットを有するスパイラル型流体分離素子を、複数本圧力容器内に直列に装填して使用されるスパイラル型流体分離素子に関するものである。即ち、逆浸透膜、限外濾過膜、精密濾過膜などの平膜がスパイラル状に巻回して配設されてなるスパイラル型流体分離素子に関するものである。 The present invention relates to a spiral fluid separation element that is used by loading a plurality of membrane units in a pressure vessel in series into a plurality of pressure vessels. That is, the present invention relates to a spiral type fluid separation element in which flat membranes such as reverse osmosis membranes, ultrafiltration membranes, and microfiltration membranes are spirally wound.
海水淡水化や、半導体分野における超純水製造の用途において、さらには、一般かん水淡水化用途や、有機物分離、廃水再利用などをはじめとする種々の水処理用途において、水処理手段として分離膜を用いた流体分離処理が利用されている。この膜による分離処理では、分離膜を用いたスパイラル型流体分離素子が使用され、その使用が急速に増加してきている。 Separation membranes as water treatment means in seawater desalination and ultrapure water production applications in the semiconductor field, and in various water treatment applications including general brine desalination, organic matter separation, wastewater reuse, etc. The fluid separation process using the is used. In this separation process using a membrane, a spiral fluid separation element using a separation membrane is used, and its use is rapidly increasing.
スパイラル型流体分離素子は、分離膜が透過液流路材と原液流路材と共に集液管の周りにスパイラル状に巻きつけられた構造をとる。図1に示すように、スパイラル型流体分離素子1は、第1の分離膜4および第2の分離膜5の3辺を互いに接着して形成した封筒状膜の間に透過液流路材6を挟み込み、これと原液流路材7とを1つのユニットとして、単数もしくは複数ユニット用意し、集液管2の周囲にスパイラル状に巻きつけてなる。封筒状膜は集液管2側で開口している。原液3はスパイラル型流体分離素子1の一方の端面から供給され、第1および第2の分離膜4、5で処理される。分離膜4、5を透過した透過液9は集液管2から取り出され、分離膜4、5を透過しなかった原液3は、スパイラル型流体分離素子1の他方の端面から濃縮液8として排出される。
The spiral type fluid separation element has a structure in which a separation membrane is wound in a spiral shape around a collecting pipe together with a permeate flow path material and a raw liquid flow path material. As shown in FIG. 1, the spiral fluid separation element 1 includes a permeate
通常、スパイラル型流体分離素子は外側をガラス繊維とエポキシ樹脂のFRPシェルにより固められており、長手方向の両端にテレスコープ防止板が取付けられた形態をとる。 Usually, the spiral type fluid separation element has a configuration in which the outer side is hardened by an FRP shell made of glass fiber and epoxy resin, and telescope prevention plates are attached to both ends in the longitudinal direction.
スパイラル型流体分離素子を用いて実際に流体分離を行う際には、複数本のスパイラル型流体分離素子を、圧力容器内に長手方向に直列に配列して装填することにより分離膜モジュールとして使用される。分離膜による分離性能を効果的に発揮し、かつ分離膜面の汚れを防止するために必要な液量を分離膜面上に流すために、4〜8本のスパイラル型流体分離素子を圧力容器内に直列に収容して使用されることが多い。直列に配列して装填されたスパイラル型流体分離素子は、流体分離素子の端部のテレスコープ防止板と隣接する流体分離素子のテレスコープ防止板とを密接させ、かつ、集液管をコネクタによって繋ぐことによって接続されている。 When actual fluid separation is performed using a spiral fluid separation element, a plurality of spiral fluid separation elements are arranged in series in a longitudinal direction in a pressure vessel and used as a separation membrane module. The Four to eight spiral fluid separation elements are used in the pressure vessel in order to effectively exert the separation performance by the separation membrane and to allow the amount of liquid necessary to prevent the separation membrane surface to be smeared on the separation membrane surface. Often used in series. The spiral type fluid separation elements loaded in series are arranged such that the telescope prevention plate at the end of the fluid separation element and the telescope prevention plate of the adjacent fluid separation element are in close contact with each other, and the liquid collecting pipe is connected by a connector. Connected by connecting.
テレスコープ防止板は、スパイラル型流体分離素子に高圧で流入する原液によって素子内部の膜ユニットが型崩れする現象を防止するために流体分離素子の両端部にそれぞれ設けるものである。一般的に、図2(a)に示すように、集液管と係合する内周環状部11と、スパイラル型流体分離素子の直径とほぼ同等の直径を有する外周環状部12と、これら環状部同士を略放射状方向すなわち環の半径と概ね同じ方向に連結するスポーク部13を有するスポーク型のテレスコープ防止板や(特許文献1、非特許文献1)、または、丸孔をパンチングした板、あるいはスポークと丸孔パンチング板とを組み合わせて構成される丸孔パンチング型のテレスコープ防止板(特許文献2)が用いられている。上記スポーク部の形状については、図2(b)に示すように、横断面14がテレスコープ防止板の端面20に垂直な長方形であるのが一般的である。また、上記孔は、テレスコープ防止板の端面に垂直にパンチングされてあるのが一般的である。
The telescope prevention plates are provided at both ends of the fluid separation element in order to prevent the phenomenon that the membrane unit inside the element collapses due to the stock solution flowing into the spiral fluid separation element at high pressure. In general, as shown in FIG. 2 (a), an inner peripheral
しかしながら、膜ユニットは前記のように集液管側で開口した封筒状であるため、膜ユニット内でも、集液管から遠ざかるに従って流路抵抗が増大していくという特徴がある。上記のスポーク部もしくは孔の形状の場合、膜ユニット端面への原液の流入が端面の周方向全体のなかで比較的圧力損失の低い集液管付近に集中し、該部分の汚損、損耗が膜ユニットの他の部分に比較して早く進行してしまう一方、集液管から遠い外周側への流入が少なくなってしまうため、結果として膜ユニット全体が周方向に均一に使用されない問題点がある。
本発明は、スパイラル型流体分離素子において、原液の膜ユニットへの流入を周方向に均一になすことにより膜ユニット全体を均一に使用することが可能なテレスコープ防止板、およびこれを用いた流体分離素子を提供することにある。 The present invention relates to a telescope prevention plate capable of uniformly using the entire membrane unit by making the inflow of the stock solution into the membrane unit uniform in the circumferential direction in a spiral type fluid separation element, and a fluid using the same It is to provide a separation element.
本発明は上記の目的を達成するために、以下に述べる構成からなる。すなわち、
(1)スパイラル型流体分離素子用のテレスコープ防止板であって、内周環状部と外周環状部とこれら環状部同士を略放射状方向に連結する数本のスポーク部とからなり、前記数本のスポーク部の少なくとも一本において、その少なくとも一部の横断面における中心線の終点が、前記中心線の始点を通るテレスコープ防止板の端面の垂線上とは異なる位置にあることを特徴とするテレスコープ防止板。
(2)前記数本のスポーク部の少なくとも一本において、その全ての横断面が同じ形状である(1)に記載のテレスコープ防止板。
(3)前記数本のスポーク部が、その全本数において同じ形状である(1)または(2)のいずれかに記載のテレスコープ防止板。
(4)前記中心線上の任意の点と前記垂線との距離が、前記任意の点が前記中心線の始点から遠ざかるに従って広義単調増加することを特徴とする請求項(1)〜(3)のいずれかに記載のテレスコープ防止板。
(5)集液孔を有する集液管の周りに、分離膜、透過液流路材および原液流路材を含む膜ユニットが巻回され、その巻回された膜ユニットの外周が外装体で覆われ、膜ユニット及び外装体の両端面に、それぞれ、(1)〜(4)のいずれかに記載のテレスコープ防止板が設けられてなることを特徴とするスパイラル型流体分離素子。
により構成される。
In order to achieve the above object, the present invention comprises the following configurations. That is,
(1) A telescope prevention plate for a spiral type fluid separation element, comprising an inner peripheral annular portion, an outer peripheral annular portion, and several spoke portions that connect these annular portions in a substantially radial direction. In at least one of the spoke portions, the end point of the center line in at least a part of the cross section thereof is at a position different from the perpendicular line of the end face of the telescope prevention plate passing through the start point of the center line. Telescope prevention plate.
(2) The telescoping prevention plate according to (1), wherein all of the transverse sections have the same shape in at least one of the several spoke portions.
(3) The telescoping prevention plate according to any one of (1) and (2), wherein the several spoke portions have the same shape in the total number.
(4) The distance between an arbitrary point on the center line and the perpendicular increases monotonously in a broad sense as the arbitrary point moves away from the starting point of the center line. The telescope prevention board in any one.
(5) A membrane unit including a separation membrane, a permeate flow channel material, and a stock solution flow channel material is wound around a liquid collection tube having a liquid collection hole, and the outer periphery of the wound membrane unit is an exterior body A spiral fluid separation element, wherein the telescopic prevention plate according to any one of (1) to (4) is provided on both end faces of the membrane unit and the outer package.
Consists of.
本発明のテレスコープ防止板をスパイラル型流体分離素子に用いることにより、流体分離素子に流入する原液がテレスコープ防止板を通過する際に、巻回された膜ユニットの外周側に向かう方向、即ち膜ユニットの巻回方向と逆の方向に旋回流を発生させることで、膜ユニットの全体を周方向に均一に使用することができる。 By using the telescope prevention plate of the present invention for the spiral fluid separation element, when the stock solution flowing into the fluid separation element passes through the telescope prevention plate, the direction toward the outer peripheral side of the wound membrane unit, that is, By generating the swirl flow in the direction opposite to the winding direction of the membrane unit, the entire membrane unit can be used uniformly in the circumferential direction.
このことにより、膜ユニット全体の汚損、損耗の程度も均一となり、集液管付近が集中的に使用されていた従来の流体分離素子と比較して寿命を長くすることができる。また、従来の膜ユニットと比較して、外周側への流入が増大し圧力が上昇する一方で集液管付近への流入が減少し圧力が低下するため、膜ユニット内において透過液が流れやすくなる。 As a result, the degree of fouling and wear of the entire membrane unit becomes uniform, and the life can be extended as compared with the conventional fluid separation element in which the vicinity of the liquid collecting pipe is used intensively. Also, compared with the conventional membrane unit, the inflow to the outer peripheral side increases and the pressure rises, while the inflow to the vicinity of the liquid collecting pipe decreases and the pressure decreases, so that the permeate flows easily in the membrane unit. Become.
さらに、本発明のテレスコープ防止板を設けた複数の流体分離素子を直列に配列し分離膜モジュールとして使用した場合、前の流体分離素子の膜ユニット内周側の端面から流出する濃縮水が次の流体分離素子に流入する際に、テレスコープ防止板の効果により濃度が拡散するため、分離膜モジュール全体の回収率が向上する。 Furthermore, when a plurality of fluid separation elements provided with the telescope prevention plate of the present invention are arranged in series and used as a separation membrane module, the concentrated water flowing out from the end face on the inner peripheral side of the membrane unit of the previous fluid separation element is When flowing into the fluid separation element, the concentration is diffused by the effect of the telescope prevention plate, so that the recovery rate of the entire separation membrane module is improved.
本発明のテレスコープ防止板は、図3に示すように、集液管(図示しない)と係合する内周環状部11と、スパイラル型流体分離素子(図示しない)の直径とほぼ同等の直径を有する外周環状部12と、これら環状部同士を略放射状方向に連結するスポーク部13とからなる、スポーク型のものである。
As shown in FIG. 3, the telescope prevention plate of the present invention has a diameter substantially equal to the diameter of the inner peripheral
本発明は、図4(a)および(b)に示すように、膜ユニットの使用の均一化を目的として、スポーク部の横断面14における中心線17の終点19が、中心線17の始点18を通るテレスコープ防止板の端面の垂線21上とは異なる位置にあることを特徴とする。特に、中心線17上の任意の点と前記垂線21との距離が、前記任意の点が中心線17の始点18から遠ざかるに従って広義単調増加することが好ましい。広義単調増加とは、区間の全てにおいて減少しないこと、すなわち常に増加、もしくは増減しないことをさす。広義単調増加する形状をとることにより、垂線21に対する原液の速度の傾きの符号が常に一定となり、速度の傾きの正負が途中で転ずることがないため、原液の旋回が効率よく実現される。この場合に相当する横断面の例を図5(a)〜(k)に示す。
In the present invention, as shown in FIGS. 4A and 4B, for the purpose of uniform use of the membrane unit, the
ここで、中心線17とは、横断面14において上面に相当する線15と下面に相当する線16との中点を原液の上流側から下流側に向けて順につないだ線であり、翼型における中心線(平均反り線、キャンバーライン)に相当するものである。なお、中点は、テレスコープ防止板の端面20の平行方向の直線が上面に相当する線15と下面に相当する線16の両方を通る場合のみ定義される。また、中心線17の両端のうち、上流側を始点18、下流側を終点19とよぶ。なお、始点から終点までの全区間で中心線が定義されない場合は、定義された部分のみで判断して構わないものとする。
Here, the
横断面は図5に示す形状に限定されるものではなく、上述した本発明の条件を満たすものであれば、あらゆる形状のものを採用することができるが、実験や数値解析からの知見をもとに、膜ユニットの使用の均一化に最適なスポーク部の形状を設計するなど、流体的特性、耐圧性、加工性(射出成形)等も考慮して総合的に形状を決定すれば良い。 The cross-section is not limited to the shape shown in FIG. 5, and any shape can be adopted as long as it satisfies the above-described conditions of the present invention. In addition, the shape may be determined comprehensively in consideration of fluid characteristics, pressure resistance, workability (injection molding), and the like, such as designing the shape of the spoke part optimal for uniform use of the membrane unit.
なお、全本数のスポーク部が同一の形状であり、かつそれらが円対称に配置されてあることが、スパイラル型流体分離素子内の各膜ユニットへの原液の流入が均一になるため好ましい。また、各スポーク部の横断面の形状は、該スポーク部の全体において同じであってもよいし、長手方向に変化してもよいが、該スポーク部の全体において同じであることが原液の流入を均一にするという観点から好ましい。 Note that it is preferable that all the spoke portions have the same shape and are arranged in a circular symmetry because the flow of the stock solution into each membrane unit in the spiral fluid separation element becomes uniform. Further, the shape of the cross section of each spoke part may be the same throughout the spoke part or may change in the longitudinal direction. Is preferable from the viewpoint of uniforming.
テレスコープ防止板を構成する素材は特に限定されるものではないが、大量生産、コスト、軽量化の観点から通常は射出成形に好適な樹脂を選択すればよい。さらに、原液に含まれる様々な物質に侵され難いために耐薬品性に優れたものであることが好ましい。例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体(ABS)、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などや、これらの複合素材(ポリマアロイ等)を利用することができる。 Although the material which comprises a telescope prevention board is not specifically limited, Usually, what is necessary is just to select resin suitable for injection molding from a viewpoint of mass production, cost, and weight reduction. Furthermore, since it is hard to be attacked by various substances contained in the undiluted solution, it is preferable to have excellent chemical resistance. For example, it is possible to use acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS), polystyrene (PS), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), or a composite material (polymer alloy, etc.) thereof. it can.
本発明のスパイラル型流体分離素子は、分離膜が透過液流路材と原液流路材と共に集液管の周りにスパイラル状に巻きつけられた構造をとる。図1に示すように、スパイラル型流体分離素子1は、第1の分離膜4および第2の分離膜5の3辺を互いに接着して形成した封筒状膜の間に透過液流路材6を挟み込み、これと原液流路材7とを1つのユニットとして、単数もしくは複数ユニット用意し、集液管の周囲にスパイラル状に巻きつけ、長手方向の両端に本発明のテレスコープ防止板10を設け、外周をガラス繊維とエポキシ樹脂のFRPシェルにより固めてなる。
The spiral type fluid separation element of the present invention has a structure in which a separation membrane is spirally wound around a collecting pipe together with a permeate channel material and a raw solution channel material. As shown in FIG. 1, the spiral fluid separation element 1 includes a permeate
分離膜については、膜支持層の上に多孔性支持層と分離機能層を有する逆浸透膜(RO膜)やナノろ過膜(NF膜)の平膜を用いる。分離機能層の素材は架橋芳香族ポリアミド系が広く用いられているが、本発明ではそれに制限されるものではない。 As the separation membrane, a reverse osmosis membrane (RO membrane) or a nanofiltration membrane (NF membrane) flat membrane having a porous support layer and a separation functional layer on the membrane support layer is used. As a material for the separation functional layer, a cross-linked aromatic polyamide is widely used, but the material is not limited to this in the present invention.
透過液流路材については、十分な透水性と高圧下での変形に耐えうる強度を満足する点で、不織布を用いるのが好ましい。素材は特に限定されるものではないが、不織布にするときの加工性が良く、強度が高く、かつ透過液中への成分の溶出が少ない材質として、ポリエステルを用いるのが好ましい。 As the permeate channel material, it is preferable to use a non-woven fabric in terms of satisfying sufficient water permeability and strength capable of withstanding deformation under high pressure. The material is not particularly limited, but it is preferable to use polyester as a material that has good processability when made into a nonwoven fabric, high strength, and little elution of components into the permeate.
原液流路材については、原液の流れを広げることができ、かつ流動抵抗が小さい形状として、網目線状物を用いるのが好ましい。素材は特に限定されるものではないが、膜を傷つけない点やコストの面から、ポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)を用いるのが好ましい。 As for the stock solution channel material, it is preferable to use a mesh-like material as a shape that can widen the flow of the stock solution and has a low flow resistance. The material is not particularly limited, but polyethylene (PE) or polypropylene (PP) is preferably used from the viewpoint of not damaging the film and cost.
集液管については、集液のための複数の孔が軸に平行な方向に一列または複数列空いた円管であり、素材は特に限定されるものではないが、強度が高く、かつ軽量であるポリフェニレンオキサイド樹脂(PPO)を用いるのが好ましい。 The collecting tube is a circular tube in which a plurality of holes for collecting liquid are formed in one or more rows in a direction parallel to the axis, and the material is not particularly limited, but the strength is high and the weight is low. It is preferable to use a certain polyphenylene oxide resin (PPO).
膜ユニットを集液管の周囲に巻きつける方法については、例えば回転する駆動ロール上にて一対のニップロールで適当な圧力をもって押圧しながらロール状に巻囲する方法があるが、エレメントの断面の真円度が圧力容器への装填に支障のない範囲内で確保できる方法であれば特に限定されるものではない。 As a method of winding the membrane unit around the liquid collecting tube, for example, there is a method of winding in a roll while pressing with a suitable pressure with a pair of nip rolls on a rotating drive roll. The method is not particularly limited as long as the circularity can be secured within a range that does not hinder the loading of the pressure vessel.
このようにして形成したロール状物の両端に、テレスコープ防止板を、その内周環状部を集液管に沿わせ平行移動させて取り付け、さらに外周にエポキシ樹脂を含浸したガラス繊維を巻きつけ、加熱により硬化させシェルを形成しテレスコープ防止板を固定する。 A telescope prevention plate is attached to both ends of the roll-like material formed in this way, with its inner peripheral annular part moved along the collecting tube and translated, and further, glass fiber impregnated with epoxy resin is wrapped around the outer periphery. Then, it is cured by heating to form a shell and fix the telescope prevention plate.
本発明により従来のスパイラル型流体分離素子の構成および製法を変更する必要はなく、かつ制限するものでもないため、膜ユニット全体を均一に使用することが可能なスパイラル型流体分離素子を容易に実現することができる。 According to the present invention, it is not necessary to change the configuration and manufacturing method of the conventional spiral fluid separation element, and there is no limitation, so that a spiral fluid separation element that can uniformly use the entire membrane unit is easily realized. can do.
1 スパイラル型流体分離素子
2 集液管
3 原液
4 第1の分離膜
5 第2の分離膜
6 透過液流路材
7 原液流路材
8 濃縮液
9 透過液
10 テレスコープ防止板
11 内周環状部
12 外周環状部
13 スポーク部
14 横断面
15 上面に相当する線
16 下面に相当する線
17 中心線
18 始点
19 終点
20 テレスコープ防止板の端面
21 中心線の始点を通るテレスコープ防止板の端面の垂線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spiral type fluid separation element 2 Collection pipe 3 Stock solution 4 1st separation membrane 5
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