JP2010264420A - 分離膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】濁質等の堆積物が上流側へ偏在化することを防いで、長期間に渡って安定した分離性能を維持できる分離膜エレメントを提供する。
【解決手段】分離膜(1)と、透過側流路材(3)と、分離膜(1)に供給される供給流体の流れ方向(FD)と平行に設けられ、透過側流路材(3)から透過流体が流れ込む集流体管(5)とを含み、分離膜(1)及び透過側流路材(3)の少なくとも一方は、集流体管(5)から最も離れた端部(3a)から集流体管(5)に向かって設けられた流体遮断部(20)によって、少なくとも２つの区域(3b,3c)に分割されており、最上流側の区域(3b)における流体が通流可能な領域は、供給流体の流れ方向(FD)と平行な方向の長さが、集流体管(5)から最も離れた端部(3a)から集流体管(5)に向かって減少していることを特徴とする分離膜エレメントとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、分離膜と、前記分離膜を透過した透過流体の流路となる透過側流路材と、前記分離膜に供給される供給流体の流れ方向と平行に設けられ、前記透過側流路材から前記透過流体が流れ込む集流体管とを含む分離膜エレメントに関する。

分離膜エレメント（以下、単に「膜エレメント」ともいう）は、スパイラル型、平膜型、中空糸型などの形態を有しており、水処理、気体分離、気液分離等の各種の分離用途に用いられている。

例えば、スパイラル型膜エレメントは、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、一般的に分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと、透過側流路材３とを積み重ね、供給流体と透過流体の混合を防ぐ封止部を形成するため接着剤４，６を分離膜周辺部（３辺）に塗布して分離膜ユニットＵを作製し、この分離膜ユニットＵの単数または複数を集流体管５の周囲にスパイラル状に巻きつけて、図４に示すような巻回体Ｒを形成する。そして、巻回体Ｒの軸方向の端部１３と集流体管５とを接着し、更に分離膜１の周辺部を封止することによって製造される。

その結果、図４に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在することになる。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。この例は、膜リーフ（封止された封筒状膜）が複数の場合であるが、膜リーフが単数の場合も存在する。

このような膜エレメントは、通常、耐圧容器内に複数連結された状態で装填され、分離膜モジュールとして分離工程に使用される。この分離膜モジュールを連続運転すると、膜エレメントに濁質が付着する場合がある。特に、上流側に位置する膜エレメントは、有効圧が高いことから透過流束が大きくなる上、濁質成分の流入口に近いため、濁質が付着し易くなる傾向にあった。上流側の膜エレメントに濁質が付着すると、圧力損失が大きくなり、下流側の膜エレメントの有効圧の低下を招く。

上記のような問題を解決するために、例えば下記特許文献１では、集水管内部にオリフィスを設けて、このオリフィスの内径を調整することにより、各膜エレメントの透過流束が等しくなるように設定して運転条件の均一化を図っている。

また、下記特許文献２では、透過流束が所定の範囲で相違する複数の膜エレメントを用いることにより、モジュール全体として、均一な透過流束分布が得られる分離膜モジュールが提案されている。

特開２０００−１５０６４号公報 特表２００７−５２３７４４号公報

他方、分離膜モジュール内の各膜エレメントにおいても、上記と同様の理由により、供給流体の流れ方向の上流側に濁質が付着し易くなる傾向にあった。従来の膜エレメントでは、上流側に濁質が堆積すると、圧力損失が大きくなり、透過流束が低下するため、必要な透過流束を確保するには操作圧力を高くしなければならなかった。その結果、ポンプの消費電力が上昇し、不経済となる上、高圧により膜エレメントが破損するおそれがあった。また、分離性能の低下を防ぐために、頻繁に分離膜面の洗浄を行う必要があった。

本発明は、濁質等の堆積物が上流側へ偏在化することを防いで、長期間に渡って安定した分離性能を維持できる分離膜エレメントを提供する。

本発明の分離膜エレメントは、分離膜と、前記分離膜を透過した透過流体の流路となる透過側流路材と、前記分離膜に供給される供給流体の流れ方向と平行に設けられ、前記透過側流路材から前記透過流体が流れ込む集流体管とを含む分離膜エレメントにおいて、前記分離膜及び前記透過側流路材の少なくとも一方は、前記集流体管から最も離れた端部から前記集流体管に向かって設けられた流体遮断部によって、少なくとも２つの区域に分割されており、前記供給流体の流れ方向の最上流側の区域における流体が通流可能な領域は、前記供給流体の流れ方向と平行な方向の長さが、前記集流体管から最も離れた端部から前記集流体管に向かって減少していることを特徴とする。

本発明の分離膜エレメントによれば、前記流体遮断部によって、前記供給流体の流れ方向の上流側（以下、「上流」、「下流」の表現は、供給流体の流れ方向を基準とする）の透過流体の集流体管への流出抵抗が大きくなり、その分、下流側の透過流体の集流体管への流出抵抗が小さくなる。これにより、上流側の透過側流路に比較的大きな背圧が生じるため、上流側の透過流束が減少し、下流側の透過流束が増加する。その結果、分離膜エレメント全体では透過流束が均一化されるため、濁質の堆積も上流側に偏ることなく分散される。即ち、本発明の分離膜エレメントによれば、濁質等の堆積物が上流側へ偏在化することを防止できるため、濁質等による分離膜エレメントの損傷や、圧力損失の増大を抑制できる。これにより、分離膜面の洗浄頻度を低減できる上、分離膜エレメントの長寿命化が可能となるため、長期間に渡って安定した分離性能を維持できる分離膜エレメントを提供できる。

なお、分離膜や透過側流路材が部分的に塞がれた構造を有する分離膜エレメントは、特開平３−２４９９０７号公報、特開平６−３１９９６６号公報、特開平７−３１８５７号公報、特開２００３−２１０９４７号公報、特開２００５−２１１７９０号公報等に提案されているが、いずれも上流側の透過流体と下流側の透過流体との間で集流体管への流出抵抗を制御できる構造ではない。

前記流体遮断部は、前記分離膜と前記透過側流路材とが部分的に接着されることにより形成されていることが好ましい。分離膜と透過側流路材との隙間を介した流体の移動を防止できるため、分離膜エレメント全体の透過流束をより均一化できるからである。

前記流体遮断部は、前記集流体管から最も離れた端部から前記集流体管に向かって連続的に形成されていることが好ましい。隣り合う区域間における流体の移動を防止できるため、分離膜エレメント全体の透過流束をより均一化できるからである。

前記分離膜及び前記透過側流路材の少なくとも一方は、前記流体遮断部によって、３つ以上の区域に分割されていることが好ましい。各区域における集流体管への流出抵抗の制御がより容易となるため、分離膜エレメント全体の透過流束をより均一化できるからである。

また、隣り合う区域において、上流側の区域における流体が通流可能な領域は、下流側の区域における流体が通流可能な領域よりも面積が小さいことが好ましい。上流側から下流側にかけて、流体の通流可能な領域が増加するため、分離膜エレメント全体の透過流束をより均一化できるからである。

本発明の分離膜エレメントは、前記分離膜と前記透過側流路材とを少なくとも含む積層体が前記集流体管に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントであってもよい。スパイラル型分離膜エレメントは、分離膜等が集流体管の周りに積層されているため、特に濁質等が堆積し易い。従って、本発明をスパイラル型分離膜エレメントに適用することにより、本発明の効果を有効に利用することができる。

本発明の分離膜エレメントの一例を示す要部展開図である。 （ａ）,（ｂ）は、本発明の分離膜エレメントの他の一例を示す要部展開図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図である。 従来のスパイラル型膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の分離膜エレメントの一例であるスパイラル型膜エレメントの要部展開図であり、詳細には、集流体管から分離膜及び透過側流路材の巻回を解いた状態を示す要部展開図である。なお、背景技術で説明した各部材と同一構成のものについては、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示すスパイラル型膜エレメントは、分離膜１（破線）と、分離膜１を透過した透過流体の流路となる透過側流路材３と、分離膜１に供給される供給流体の流れ方向ＦＤと平行に設けられ、透過側流路材３から透過流体が流れ込む集流体管５とを含む。また、分離膜１及び透過側流路材３の周辺部（３辺）は、両端封止部１１及び外周側封止部１２により封止されている。

透過側流路材３は、集流体管５から最も離れた端部３ａから集流体管５に向かって設けられた流体遮断部２０によって、２つの区域３ｂ,３ｃに分割されている。また、上流側の区域３ｂにおける流体が通流可能な領域（流体遮断部２０や、両端封止部１１及び外周側封止部１２で封止された部分を除く領域、以下、「有効領域」ともいう）は、供給流体の流れ方向ＦＤと平行な方向の長さが、端部３ａから集流体管５に向かって減少している。これにより、上流側の区域３ｂでは透過側流路が集流体管５に向かうに従い狭くなり、その分、下流側の区域３ｃでは透過側流路が集流体管５に向かうに従い広くなる。その結果、上流側の透過流体の集流体管５への流出抵抗が大きくなり、その分、下流側の透過流体の集流体管５への流出抵抗が小さくなる。従って、上流側の透過側流路に下流側よりも大きな背圧が生じるため、上流側の透過流束が減少し、下流側の透過流束が増加する。その結果、膜エレメント全体では透過流束が均一化されるため、濁質の堆積も上流側に偏ることなく分散される。即ち、図１に示す膜エレメントによれば、濁質等の堆積物が上流側へ偏在化することを防止できるため、濁質等による膜エレメントの損傷や、圧力損失の増大を抑制できる。これにより、分離膜１の表面の洗浄頻度を低減できる上、膜エレメントの長寿命化が可能となるため、長期間に渡って安定した分離性能を維持できる膜エレメントを提供できる。

上流側の区域３ｂの有効領域では、端部３ａにおける供給流体の流れ方向ＦＤと平行な方向の長さＬ１と、集流体管５への流入箇所における当該長さＬ２との比率（Ｌ２／Ｌ１）が１／５〜４／５であることが好ましく、１／３〜２／３であることがより好ましい。この範囲内であれば、上流側の区域３ｂにおける集流体管５への流出抵抗の制御が容易となるため、膜エレメント全体の透過流束をより均一化できる。

透過側流路材３の全有効領域の面積に対する上流側の区域３ｂの有効領域の面積の比率（区域３ｂの有効領域／全有効領域）は、１／７〜１／２であることが好ましく、１／５〜１／３であることがより好ましい。この範囲内であれば、上流側の区域３ｂにおける集流体管５への流出抵抗の制御が容易となるため、膜エレメント全体の透過流束をより均一化できる。

流体遮断部２０の幅は、１０〜５０ｍｍであることが好ましく、１５〜３０ｍｍであることがより好ましい。この範囲内であれば、透過流体の流れを過剰に妨げることなく、膜エレメント全体の透過流束を均一化できる。なお、流体遮断部２０の幅は、一定であっても良く、変化していても良い。

図１に示す例では、上流側の区域３ｂの有効領域は、下流側の区域３ｃの有効領域よりも面積が小さい。これにより、上流側から下流側にかけて有効領域が増加するため、膜エレメント全体の透過流束をより均一化できる。

分離膜１には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜等が使用できる。透過側流路材３には、ネット状流路材、編み物状流路材等が使用できる。集流体管５には、用途に応じて集水管や集気管などの従来のものが何れも使用でき、例えば管の周囲に孔部５ａを有するものが使用できる。両端封止部１１及び外周側封止部１２を形成するための接着剤としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤等、従来公知のいずれの接着剤も使用することができる。

流体遮断部２０の形成方法は特に限定されないが、分離膜１と透過側流路材３とを部分的に接着させることによって形成すると、分離膜１と透過側流路材３との隙間を介した流体の移動を防止できるため、膜エレメント全体の透過流束をより均一化できる。この場合の流体遮断部２０は、分離膜１と透過側流路材３との固着部分となる。接着方法は、特に限定されないが、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤などの接着剤を用いて接着する方法や、分離膜１と透過側流路材３とを熱融着することによって接着する方法等が例示できる。また、流体遮断部２０は、分離膜１や透過側流路材３の一部に粘着テープ等を貼ることによって形成してもよい。この場合、上記粘着テープ等が流体遮断部２０となる。

なお、流体遮断部２０は、分離膜１や透過側流路材３に固着している必要はない。例えば図１に示す膜エレメントが供給側流路材（図示せず）を有している場合は、分離膜１に対向する供給側流路材表面の一部に粘着テープ等を貼ることによって流体遮断部２０を形成してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、図１では、供給側流路材等を省略しているが、本発明は、上述した流体遮断部を有することに特徴があり、その他の構成に関しては、図３及び図４に示したような従来公知の膜エレメント等の構成要素が何れも採用できる。

また、図２（ａ）に示すように、上流側の区域３ｂにおいて、供給流体の流れ方向ＦＤと平行な方向の長さが不連続に減っていく構成であってもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、分離膜１や透過側流路材３が、流体遮断部２０によって３つ以上の区域に分割されていてもよい。この場合、各区域における集流体管５への流出抵抗の制御がより容易となるため、膜エレメント全体の透過流束をより均一化できる。

また、図示はしないが、流体遮断部が断続的に設けられていてもよい。ただし、隣り合う区域間における流体の移動を防止して、膜エレメント全体の透過流束をより均一化するには、図１や図２（ａ）,（ｂ）に示すように、流体遮断部が連続的に形成されていることが好ましい。

また、図１や図２（ａ）,（ｂ）では、１組の分離膜及び透過側流路材しか示していないが、本発明の膜エレメントは、分離膜と透過側流路材とを少なくとも含む積層体の単数又は複数が集流体管に巻回されたスパイラル型膜エレメントであってもよい。スパイラル型膜エレメントは、分離膜等が集流体管の周りに積層されているため、特に濁質等が堆積し易い。従って、本発明をスパイラル型膜エレメントに適用することにより、本発明の効果を有効に利用することができる。

１ 分離膜
２ 供給側流路材
３ 透過側流路材
３ａ 集流体管から最も離れた端部
３ｂ，３ｃ 区域
４，６ 接着剤
５ 集流体管
５ａ 孔部
１１ 両端封止部
１２ 外周側封止部
１３ 軸方向の端部
２０ 流体遮断部
ＦＤ 供給流体の流れ方向
Ｒ 巻回体
Ｕ 分離膜ユニット

Claims (6)

1. 分離膜と、前記分離膜を透過した透過流体の流路となる透過側流路材と、前記分離膜に供給される供給流体の流れ方向と平行に設けられ、前記透過側流路材から前記透過流体が流れ込む集流体管とを含む分離膜エレメントにおいて、
   前記分離膜及び前記透過側流路材の少なくとも一方は、前記集流体管から最も離れた端部から前記集流体管に向かって設けられた流体遮断部によって、少なくとも２つの区域に分割されており、
   前記供給流体の流れ方向の最上流側の区域における流体が通流可能な領域は、前記供給流体の流れ方向と平行な方向の長さが、前記集流体管から最も離れた端部から前記集流体管に向かって減少していることを特徴とする分離膜エレメント。
2. 前記流体遮断部は、前記分離膜と前記透過側流路材とが部分的に接着されることにより形成されている請求項１に記載の分離膜エレメント。
3. 前記流体遮断部は、前記集流体管から最も離れた端部から前記集流体管に向かって連続的に形成されている請求項１又は２に記載の分離膜エレメント。
4. 前記分離膜及び前記透過側流路材の少なくとも一方は、前記流体遮断部によって、３つ以上の区域に分割されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の分離膜エレメント。
5. 隣り合う区域において、前記供給流体の流れ方向の上流側の区域における流体が通流可能な領域は、下流側の区域における流体が通流可能な領域よりも面積が小さい請求項１〜４のいずれか１項に記載の分離膜エレメント。
6. 前記分離膜エレメントは、前記分離膜と前記透過側流路材とを少なくとも含む積層体が前記集流体管に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントである請求項１〜５のいずれか１項に記載の分離膜エレメント。

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