JP2012518538A - ファウリングが低減された流体分離システム - Google Patents

Abstract

流体分離システムが、特徴部のパターンを有する分離膜を含む。

Description

本発明の開示は、２００９年２月２５日出願の米国特許仮出願第６１／２０８５２３号明細書の優先権を主張するものである。

本発明は流体分離システムに関し、特にその分離膜に関する。

従来の逆浸透流体分離システムは、複数の膜の層と、供給流路スペーサと、濃縮液および透過液の流路を提供するように差し込まれた透過液捕集材料と、を有する。

流路スペーサは一般的に流体流れの乱流を増大させる分離されたスクリーン型の部材である。供給流路スペーサは、沈殿物の堆積や汚れ（ファウリング）が生じやすい。

本発明は、沈殿物の堆積やファウリングが低減された流体分離システムを提供する。

以下に開示の限定されない実施例の詳細な説明から、様々な特徴が当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を、以下のように簡単に説明する。

流体分離システムの概略的な部分断面図。 部分的に巻きが解かれた流体分離システムの端面図。 １組の分離膜に適用された特徴部のパターンの限定されない一実施例を示す図。 １組の分離膜に適用された特徴部のパターンの限定されない別の実施例を示す図。 １組の分離膜に適用された特徴部のパターンの限定されない別の実施例を示す図。 １組の分離膜に適用された特徴部のパターンの限定されない別の実施例を示す図。 段階的なパターンで適用された特徴部のパターンの限定されない別の実施例を示す図。 特徴部のパターンの限定されない別の実施例を示す図。 図７の特徴部のパターンによって決定される流れを示す図。 特徴部のパターンの限定されない別の実施例を示す図。 図１５の特徴部のパターンによって決定される流れを示す図。

図１Ａは流体分離システム２０を概略的に示す。流体分離システム２０は概して透過液捕集管２４（図１Ｂ）の周りにスパイラル形に巻かれた複数の分離膜２２を含む。透過液捕集管２４は軸Ｘに沿って画定されるとともに、透過液捕集管２４の長さに沿って複数の組に分散された複数の開口部２６を画定する。

衝突板２８Ａ，２８Ｂが透過液捕集管２４に取り付けられて、その間の複数の分離膜２２を保持し、複数の分離膜２２が流体流れに応じて伸縮するのを防ぐ。各衝突板２８Ａ，２８Ｂは、透過液捕集管支持体３２とリム３４との間に画定された環状流路３０を含む。衝突板２８Ａ，２８Ｂは、圧力容器３６にリム３４で取り付けられて、圧力容器３６内に複数の分離膜２２を収容する。流体分離システム２０は円筒モジュールとして形成され、複数のモジュールが直列に連結されうる。代替的にその他の断面形状が提供されてもよい。

逆浸透（ＲＯ）は、膜の一方の側に溶質を保持する溶液に膜を通して圧力をかけ、純溶媒を他方の側へと通過させる分離法である。より正式には、溶質濃度の高い領域から膜を通して溶質濃度の低い領域へと溶媒を強制的に移動させるこの処理は、浸透圧よりも高い圧力を印加することにより達成される。ここで用いられるように、用語「分離膜」とは、最も分離が起こるポリママトリックス中における高密度のバリア層などの、逆浸透に用いられる任意の材料を示す。本発明の分離膜２２は、塩イオンなどの溶質の透過を防ぎながら、その高密度の膜を通して水だけを透過させるが、逆浸透型の処理を適用できる任意の材料が本発明から利益を享受することができる。

複数の分離膜２２は、分離膜２２Ａ，２２Ｂがペアになるように配置されて、３つの縁部が閉じられた流体分離要素すなわち「リーフ」（ｌｅａｆ）２３を画定する。ここで用いられるように、用語「リーフ」とは、一組の開口部２６と連通した分離膜配列を示し、分離膜を通る溶液は、溶質を一方の側に保ちながら、純溶媒を一組の開口部２６と連通する他方の側へと通流させる。各リーフ２３の第４の縁部すなわち開口部側は透過液捕集管２４における対応する組の開口部２６に隣接するように配置されて、分離膜２２Ａ，２２Ｂの各組の間から透過液捕集管２４への流体流路を画定する（図１Ｂ；ここでは４つのリーフ２３Ａ〜２３Ｄを有するように概略的に示す）。本明細書で規定される１組の開口部が考えられるが、図１Ｂに最もよく示されるように複数の開口部の列（ｒｏｗ）が考えられる。１組の分離膜２２Ａ，２２Ｂを有する単一のリーフ２３および単一の組の開口部２６を本明細書中で詳細に述べるが、当然のことながら各リーフ２３が複数の分離膜２２を有するものも概ね同様に配置されて機能する。

特徴部４０のパターン（概略的に示す）が複数の分離膜２２の各々に形成され、もしくは複数の分離膜２２の特定の組合せに形成される。特徴部４０は、様々なサイズや、波形、弓形、直線形、山形（限定せず）などの様々な形状を有する。ここで用いられるように、用語「特徴部」は、分離膜２２上に形成される任意の突出部、隆起部、ノブ部、張出部、突起部、こぶ部、リッジ部、直線部、等を表す。これに限定されない一実施例では、パターンを形成するように複数の分離膜２２の各々もしくは特定の組合せにおける片側もしくは両側にエラストマ材料をスクリーン印刷することにより形成される。当然のことながら特徴部４０のパターンは別の方法では分離膜２２内の一体構造（ｉｎｔｅｇｒａｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）などを通して提供されてもよい。１組の分離膜２２Ａ，２２Ｂの３つの縁部を密閉するようにエラストマ材料をさらに利用してもよい。ここではエラストマ材料を開示したが、特徴部４０を形成するように種々のポリマ材料およびその他の材料を代替的にもしくは付加的に利用してもよいことを理解されたい。

特徴部４０のパターンが、例えば、乱流を向上させ、背圧を低下させ、生物付着やその他の固化した溶質などの沈殿トラップを減らすように、指向、配置される。

特徴部４０のパターンは特に、衝突板２８Ａに隣接する入口における高流量、低圧力損失、および、衝突板２８Ｂに隣接する出口における低流量、高圧力損失といった、複数の分離膜２２の異なる部位における異なる必要条件に合わせて作られる。

また特徴部４０のパターンは、流量、乱流、境界層の破壊などを含む、これらに限定しない膜の必要条件に合わせて流体流れが特に調整されるように、複数の分離膜２２の間のスペーサとしても機能する。当然のことながら種々のコンピュータ化された流体モデル系が特徴部４０の所望のパターンを決定するように利用されうる。

衝突板２８Ａを通して供給される供給溶液Ｓがリーフ２３の間に流入する。供給溶液Ｓがリーフ２３の表面を流れ、リーフ２３の周りを流れる一方で、例えば水などの透過流体Ｆは一対の分離膜２２Ａ，２２Ｂを通して各リーフ２３内へと浸透し、濃縮液Ｃはリーフ２３の間にとどまる。

透過流体Ｆはリーフ内の一対の分離膜２２Ａ，２２Ｂの間を透過液捕集管２４に向かって流れ、ここで透過流体Ｆは一組の開口部２６を通してその内部へと捕集される。透過液捕集管２４内に透過した流れＦはその中を下流方向へと流れる。一対の分離膜２２Ａ，２２Ｂを通して各リーフ２３内へと浸透しない濃縮液Ｃは、衝突板２８Ｂの環状出口を通して下流へと流出する。

特徴部４０のパターンは、例えば、沈殿トラップを最小限に抑えもしくは排除しながら、分離供給路スペーサ層や透過液捕集材料層を排除するように、様々な組合せで複数の分離膜２２に直接適用される。これにより流体流路に対する流れパターンの設計が容易となる。

図２を参照すると、各リーフ２３Ａが、一組の分離膜２２Ａ，２２Ｂの各々の片側に適用された特徴部４０のパターンを含む。特徴部４０のパターンは、複数の分離膜２２中の各リーフ２３を離間させるだけでなく、リーフ２３Ａ内で一組の分離膜２２Ａ，２２Ｂを互いに離間させるように作用する。

図３を参照すると、各リーフ２３Ｂが、限定されない別の実施例により一組の分離膜２２Ａ，２２Ｂの各々の両側に適用された特徴部４０のパターンを含む。分離膜２２Ａ，２２Ｂが一つに結合されてリーフ２３Ｂを形成するとき、分離膜２２Ａの特徴部４０のパターンおよび分離膜２２Ｂの特徴部４０のパターンは交互に配置されるか、それ以外では互いに関連し合うように配置される。

図４を参照すると、各リーフ２３Ｃが、限定されない別の実施例により一組の分離膜２２Ａ，２２Ｂのうちの一つの分離膜２２Ａのみの両側に適用された特徴部４０のパターンを含む。各リーフ２３における単一の分離膜２２Ａの両側に適用された特徴部４０のパターンが複数の分離膜２２内でパターンの無い分離膜２２Ｂと交互の配列を形成する。

図５を参照すると、各リーフ２３Ｄが、限定されない別の実施例により一組の分離膜２２Ａ，２２Ｂの間に透過液捕集材料２５を有するとともに、その一組の分離膜のうちの一つの分離膜２２Ａの片側に適用された特徴部４０のパターンを含む。一つの分離膜２２Ａの片側に適用された特徴部４０のパターンにより、複数の分離膜２２内の各リーフ２３間の間隔空けが容易となる。

図６を参照すると、特徴部４０のパターンが種々の形態を有する。限定されない一実施例のパターン特徴部４０が、軸方向に供給される溶液Ｓの流体流路に沿って密度が増加する段階的なパターンを含む。当然のことながら様々なパターンや様々な特徴部の形状、およびそれらの組合せを代替的にもしくは付加的に利用してもよい。

図７を参照すると、これに限定しない一実施例の特徴部のパターン４０Ａにより、給水流れ方向に対して１０°の角度をなす直線状のベーンが提供される。各特徴部４０Ａは各スペーサの列（ｒｏｗ）におけるベーンを交互に千鳥状に配置する。ベーン高さは２８ｍｉｌの流路高さに亘り、（１０°回転前のゼロ度における）列の間隔が１５．９ｍｉｌに亘る。当然のことながら、２８ｍｉｌの列の間隔を有する２０°（もしくはそれ未満）の角度をなす直線状のベーン、列の間隔の無いベーン、２８ｍｉｌのベーン幅および０．２５”（インチ）の軸方向長さ、及びこれらの組合せなどの、選択的な関係を代替的にもしくは付加的に利用してもよい。

特徴部４０Ａのパターンにより、流れに対するより低い水圧耐性（０．１３ｐｓｉ／インチから０．０３ｐｓｉ／インチへの約７７％の軸方向圧力勾配（ａｘｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ）の低下）をもたらし；流れの迎え角（ｆｌｏｗ ａｎｇｌｅ−ｏｆ−ａｔｔａｃｋ）を最小限に抑え、水圧耐性を最小限に抑えるとともに、生物付着が生じる低速の伴流領域（ｗａｋｅ ｒｅｇｉｏｎ）を最小限に抑え；より速い流路中央平面速度をもたらし、それにより生物付着物の堆積に耐え、膜の目詰まりに耐える、より高い流体せん断性を提供する（図８〜１４）。

図１５を参照すると、限定されない一実施例の特徴部のパターン４０Ｂが、流れの最大迎え角を最小限に抑え、流れの分離領域を改善するように引き伸ばされたダイヤモンド形状を提供する。引き伸ばされたダイヤモンド型のベーンは給水流れ方向に沿って並べられた１０°の半角端部を含む。各特徴部４０Ｂは各スペーサの列におけるベーンを交互に千鳥状に配置する。ベーン高さは２８ｍｉｌの流路高さに亘り、列（ｒｏｗ）の間隔は１４ｍｉｌに亘る（同じ縦列（ｃｏｌｕｍｎ）内のベーン間の間隔は５６ｍｉｌ）。

特徴部４０Ｂのパターンにより、最速の流路中央平面速度をもたらし、それにより生物付着物の堆積に耐え、膜の目詰まりに耐える、最も高い流体せん断性を提供するとともに、流れに対するより低い水圧耐性を提供する（０．１３ｐｓｉ／インチから０．０４ｐｓｉ／インチへの約６９％の軸方向圧力勾配の低下）（図１６〜２２）。

軸方向圧力勾配と流路速度との兼ね合いを考慮して特徴部４０Ｂのパターンが最適化される。スペーサの縦列をそれぞれ隣接する特徴部４０Ｂの先端長さの約半分だけオーバラップさせることにより、伴流領域がさらに低減される。伴流領域を減少させるように特徴部４０Ｂの縦列のオーバラップを通して、生物付着が生じうる低速伴流領域の最小化が達成される。特に、スペーサの縦列を先端長さの半分だけオーバラップさせることにより、伴流領域がさらに改善される。伴流領域の低下により、複数の流路に同じ流量を送り込むように軸方向圧力降下が増大する。スペーサ形状、および、流入する流れに対する流れの迎え角は、圧力降下と伴流領域の両方を最小化するために重要ではあるが、最適化のある時点で生物付着を低減するように伴流領域を更に改善することにより、結果として著しい圧力降下を招く。この点は本質的に最適化の関係を示すものである。

幾つかの図面を通した同様の参照符号は、対応するもしくは同様の構成要素を特定するものであることを理解されたい。また、図示の実施例に特定の構成要素の配置が開示されるが、その他の配置もまた本発明から利益が得られることを理解されたい。

特定のステップの順序を示し、記載し、特許請求の範囲に記載するが、特に示されない限り、これらのステップは任意の順序で行われ、分離され、もしくは組み合わせられ、さらに本発明の開示から利益が得られることを理解されたい。

上記の記載は限定的なものではなく例示に過ぎない。限定されない種々の実施例を開示したが、上記の教示に照らして種々の変形や修正が付記の特許請求の範囲に含まれることが当業者にとって理解されるであろう。従って、付記の特許請求の範囲内において、本発明が明確に記載されたもの以外に実施されうることを理解されたい。そのため、本発明の真の範囲および意義を画定するために付記の特許請求の範囲を検討すべきである。

Claims (26)

1. 分離膜を備え、この分離膜が、流体流れ方向に対して所定の角度をなす複数のベーンを含んだ特徴部のパターンを有することを特徴とする流体分離システム。
2. 前記分離膜は、溶媒を透過するが、溶質の透過を防ぐことを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
3. 前記溶媒が水であることを特徴とする請求項２に記載の流体分離システム。
4. 前記特徴部のパターンが、前記分離膜の片側にあることを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
5. 前記特徴部のパターンが、前記分離膜の両側にあることを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
6. 前記複数のベーンの各々が、前記流れ方向に対して２０°未満の角度をなすことを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
7. 前記複数のベーンの各々が、流路高さに亘るベーン高さを画定することを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
8. 前記複数のベーンの各々が、引き伸ばされたダイヤモンド形状を画定することを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
9. 前記引き伸ばされたダイヤモンド形状が、前記流れ方向に沿って並べられた半角端部を画定することを特徴とする請求項８に記載の流体分離システム。
10. 前記引き伸ばされたダイヤモンド形状が、前記流れ方向に沿って並べられた１０°の半角端部を画定することを特徴とする請求項８に記載の流体分離システム。
11. 前記特徴部のパターンが、流体流れ方向に対する勾配を画定することを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
12. 前記特徴部のパターンが、エラストマ材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の流体分離システム。
13. 軸に沿って画定されるとともに、一組の開口部を画定する透過液捕集管と、
    流体流れ方向に対して所定の角度をなす複数のベーンを含んだ第１の特徴部のパターンを有する第１の分離膜と、
    前記第１の分離膜に３つの縁部に沿って取り付けられて、前記透過液捕集管に巻き付けられるリーフを画定する第２の分離膜と、
    を備え、
    前記第１の分離膜および前記第２の分離膜が、前記一組の開口部と流体連通する開口縁部を画定する、流体分離システム。
14. 前記第２の分離膜が、前記流れ方向に対して所定の角度をなす第２の複数のベーンを含んだ第２の特徴部のパターンをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の流体分離システム。
15. 前記第１の特徴部のパターンと、前記第２の特徴部のパターンとが交互に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の流体分離システム。
16. 前記第１の複数のベーンと、前記第２の複数のベーンとがそれらの間の流路の高さに亘ることを特徴とする請求項１５に記載の流体分離システム。
17. 前記第１の複数のベーンが第１の複数の列を画定するとともに、前記第２の複数のベーンが第２の複数の列を画定し、前記第１の複数のベーンおよび前記第２の複数のベーンが交互の千鳥形配列に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の流体分離システム。
18. 前記複数のベーンの各々が、前記流れ方向に対して２０°未満の角度をなすことを特徴とする請求項１３に記載の流体分離システム。
19. 前記第１の複数のベーンの各々が、引き伸ばされたダイヤモンド形状を画定することを特徴とする請求項１３に記載の流体分離システム。
20. 前記引き伸ばされたダイヤモンド形状が、前記流れ方向に沿って並べられた半角端部を画定することを特徴とする請求項１９に記載の流体分離システム。
21. 前記引き伸ばされたダイヤモンド形状が、前記流れ方向に沿って並べられた１０°の半角端部を画定することを特徴とする請求項２０に記載の流体分離システム。
22. 前記第１の複数のベーンの各々が、該第１の複数のベーンのうちの別の１つと前記流れ方向に沿って少なくとも部分的にオーバラップすることを特徴とする請求項１９に記載の流体分離システム。
23. 前記第１の複数のベーンの各々が、概ね前記流れ方向に沿った列に沿って離間されることを特徴とする請求項１９に記載の流体分離システム。
24. 前記第１の複数のベーンの各々が、概ね前記流れ方向に沿った千鳥状の列に沿って離間されることを特徴とする請求項１９に記載の流体分離システム。
25. 前記流れ方向に沿った前記千鳥状の列がオーバラップしたスペーサの縦列を画定することを特徴とする請求項２４に記載の流体分離システム。
26. 前記第１の複数のベーンの各々が軸方向圧力勾配および前記流体の流路速度を画定するように関連することを特徴とする請求項１９に記載の流体分離システム。

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