JP2010264421A - 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、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、分離膜(1)を透過した透過流体が流れ込む集流体管(10)とを含み、集流体管(10)には、その管外と管内を連通し、透過流体の流入口となる孔部(10a)が設けられており、集流体管(10)の外周面に対する孔部(10a)の開口面の占める割合が、供給流体の流れ方向(FD)の上流側から下流側に向かって増加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、前記分離膜を透過した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４（ａ）,（ｂ）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を作製する。そして、図４（ｃ）に示すように、分離膜ユニットＵの単数または複数を、透過流体の流入口となる孔部を有する集流体管５の周囲にスパイラル状に巻きつけて、図５に示すような巻回体Ｒを形成する。更に、巻回体Ｒの軸方向の端部１３と集流体管５とを接着し、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５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。

特開２０００−１５０６４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、前記分離膜を透過した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、前記集流体管には、その管外と管内を連通し、前記透過流体の流入口となる孔部が設けられており、前記集流体管の外周面に対する前記孔部の開口面の占める割合が、前記供給流体の流れ方向の上流側から下流側に向かって増加していることを特徴とする。

なお、上記「集流体管の外周面」とは、孔部の開口面を含めた集流体管の外周部の表面を指す。また、以下の説明において、「上流」、「下流」の表現は、供給流体の流れ方向を基準とする。

本発明の分離膜エレメントによれば、上流側の透過流体の集流体管への流出抵抗が大きくなり、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、集流体管に設けられる孔部については、特開平１１−１３７９７４号公報、特開２００４−３０５８２３号公報等に開示されているが、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。

本発明では、前記集流体管の外周面に対する前記孔部の開口面の占める割合が、前記供給流体の流れ方向の上流側から下流側に向かって漸増していることが好ましい。透過流束がより均一化されるため、濁質等の堆積物が上流側へ偏在化することをより確実に防止できるからである。

本発明で使用される集流体管に前記孔部を複数設ける場合、上流側から下流側に向かうに従い前記孔部が密になる構成としてもよい。この構成によれば、同一形状の孔部により設計できるため、比較的加工が容易である。

本発明で使用される集流体管に前記孔部を複数設ける場合、前記孔部の開口面積が、上流側から下流側に向かって増加する構成としてもよい。

本発明は、前記分離膜から前記集流体管までの間の前記透過流体の流路となる透過側流路材を更に含み、前記分離膜及び前記透過側流路材の少なくとも一方が、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いる構成であってもよい。この構成によれば、上流側区域と下流側区域との間で流体の移動を防止できるため、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容易に制御できる。これにより、分離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、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一層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。

（ａ）は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り、（ｂ）は（ａ）に示す分離膜エレメントで使用される集流体管の一例を示す概略平面図である。 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）〜（ｅ）は、本発明の分離膜エレメントに使用される集流体管の他の一例を示す概略平面図である。 （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（ａ）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の巻回を解いた状態を示す要部展開図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す膜エレメントで使用される集流体管の一例を示す概略平面図である。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（ａ）に示す膜エレメントは、分離膜１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、分離膜１を透過した透過流体が流れ込む集流体管１０とを含む。また、分離膜１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。

集流体管１０には、その管外と管内を連通し、透過流体の流入口となる複数の孔部１０ａが設けられている。図１（ｂ）に示す例では、孔部１０ａは、上流側から下流側に向かうに従い密に設けられている。また、集流体管１０の外周面に対する孔部１０ａの開口面の占める割合が、上流側から下流側に向かって漸増している。これにより、上流側の透過流体の集流体管１０への流出抵抗が大きくなり、下流側の透過流体の集流体管１０への流出抵抗が小さくなる。これにより、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（ａ）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。

図１（ａ）に示すように、集流体管１０のうち、分離膜１の流体が通流可能な領域（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）に面する部分を３等分した場合に、最下流部分１０ｃにおける外周面に対する孔部１０ａの開口面の占める割合は、最上流部分１０ｂにおける外周面に対する孔部１０ａの開口面の占める割合の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましい。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１０への流出抵抗を容易に制御できるため、膜エレメント全体の透過流束をより均一化できるからである。なお、集流体管１０にかかる圧力に耐えうる機械的強度を良好に維持するには、孔部１０ａの形状及び大きさについて適宜設計することが好ましい。

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。集流体管１０の構成材料は、従来公知の集水管や集気管の構成材料が使用できる。例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ樹脂）、ポリサルフォン樹脂（ＰＳＦ樹脂）等の樹脂材、或いはステンレス鋼、チタン等の金属材等が使用できる。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。なお、図１（ａ）では、供給側流路材や透過側流路材等を省略しているが、本発明は、集流体管に特徴があり、その他の構成に関しては、図４及び図５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。

集流体管１０の内径は、使用される膜エレメントの大きさに応じて異なるが、例えば１０〜１００ｍｍである。集流体管１０の肉厚は、処理目的や用途に応じて異なるが、例えば２〜１０ｍｍである。

上述したように、図１（ｂ）に示す集流体管１０では、孔部１０ａが、上流側から下流側に向かうに従い密に設けられている。この構成によれば、同一形状の孔部１０ａにより設計できるため、比較的加工が容易である。

次に、本発明の別の実施形態について、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の分離膜エレメントの別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２に示す膜エレメントは、上述した図１（ａ）に示す膜エレメントの構成に加え、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（破線）を備えている。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。そして、分離膜１は、集流体管１０から最も離れた端部１ａから集流体管１０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１ｂ,１ｃに分割されている。

図２に示す膜エレメントによれば、上流側区域１ｂと下流側区域１ｃとの間で流体の移動を防止できるため、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１０への流出抵抗を容易に制御できる。これにより、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より均一化できる。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。

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２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。

図２に示す膜エレメントでは、分離膜１が流体遮断部２０によって２つの区域１ｂ,１ｃに分割されているが、本発明はこれに限らず、分離膜１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。即ち、流体遮断部２０を２箇所以上設けてもよい。この場合、各区域における集流体管１０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一層均一化できる。また、流体遮断部２０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２に示すように、流体遮断部２０が連続的に形成されていることが好ましい。

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、上記実施形態では、孔部が上流側から下流側に向かうに従い密に設けられた例として、図１に示す例や図２に示す例を挙げて説明したが、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すような集流体管１０であっても上記実施形態と同様の効果を奏する。あるいは、図３（ｃ）や図３（ｄ）に示すように、孔部１０ａの開口面積が上流側から下流側に向かって増加する構成としてもよい。

また、本発明で使用される集流体管は、その外周面に対する孔部の開口面の占める割合が、上流側から下流側に向かって連続的あるいは不連続に増加している限り、孔部の開口パターンについては限定されない。例えば、図示はしないが、図１，図２に示す開口パターンや図３（ａ）〜図３（ｄ）に示す開口パターンを組み合わせてもよい。あるいは、図３（ｅ）に示すように、上流側から下流側に向かって開口面が拡がっている孔部１０ａを設けてもよい。この場合は、１つの孔部１０ａだけでも効果を奏する。

なお、図２に示す開口パターンや、図３（ａ）〜図３（ｅ）に示す開口パターンの場合も、最下流部分における外周面に対する孔部１０ａの開口面の占める割合と、最上流部分における外周面に対する孔部１０ａの開口面の占める割合との比率の好ましい範囲は、上述した図１（ａ）において説明した数値範囲と同様である。

また、図１（ａ）や図２では、１枚の分離膜あるいは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
１ａ 集流体管から最も離れた端部
１ｂ 上流側区域
１ｃ 下流側区域
２ 供給側流路材
３ 透過側流路材
４，６ 接着剤
５，１０ 集流体管
１０ａ 孔部
１０ｂ 集流体管の最上流部分
１０ｃ 集流体管の最下流部分
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 (7)

1. 分離膜と、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、前記分離膜を透過した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、
   前記集流体管には、その管外と管内を連通し、前記透過流体の流入口となる孔部が設けられており、
   前記集流体管の外周面に対する前記孔部の開口面の占める割合が、前記供給流体の流れ方向の上流側から下流側に向かって増加している分離膜エレメント。
2. 前記集流体管の外周面に対する前記孔部の開口面の占める割合が、前記供給流体の流れ方向の上流側から下流側に向かって漸増している請求項１に記載の分離膜エレメント。
3. 前記集流体管には、複数の前記孔部が、前記供給流体の流れ方向の上流側から下流側に向かうに従い密に設けられている請求項１又は２に記載の分離膜エレメント。
4. 前記集流体管には、前記孔部が複数設けられており、
   前記孔部の開口面積が、前記供給流体の流れ方向の上流側から下流側に向かって増加している請求項１〜３のいずれか１項に記載の分離膜エレメント。
5. 前記分離膜から前記集流体管までの間の前記透過流体の流路となる透過側流路材を更に含み、
   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いる請求項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５に記載の分離膜エレメント。
7. 前記分離膜エレメントは、前記分離膜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１〜６のいずれか１項に記載の分離膜エレメント。

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