JP2013212456A - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半透膜を正浸透法で使用しても良好な濾過速度が得られる中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】
上記課題は、両端が開口した多数の中空糸膜からなる束をケース内に収容した中空糸膜モジュールであって、前記ケースの一端に、前記中空糸膜の内部を流通する第一流体の流入口と前記中空糸膜の外部を流通する第二流体の流出口を有し、前記ケースの他端に、前記中空糸膜の内部を流通する第一流体の流出口と前記中空糸膜の外部を流通する第二流体の流入口を有するとともに、前記ケースの内壁と前記中空糸膜束の外縁との間隙に、前記第二流体の流通を妨げる仕切板を有することを特徴とする中空糸膜モジュールによって解決される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の膜分離処理に用いられる中空糸膜モジュールに関し、特に海水を正浸透（ＦＯ）で濾過して淡水を製造するのに適する中空糸膜モジュールに関する。

膜濾過は、逆浸透（ＲＯ）、ナノ濾過（ＮＦ）、精密濾過（ＭＦ）、限界濾過（ＵＦ）等があり、海水の淡水化、無菌水の製造、廃水の浄化、有害物の除去、有用物の濃縮などに用いられている。これらの膜濾過は、通常、水理学的な圧力を濾過駆動力としている。

従来の中空糸膜モジュールの一例を図３に示す。この中空糸膜モジュールは特許文献１の図１に示されており、円筒状の圧力容器２０に１つの中空糸膜エレメント３０が装着されている。この中空糸膜エレメント３０は、中空糸膜３１が供給流体分配管３２の周りに交差状に配置されており、その両端は樹脂３３ａ、３３ｂで固定されている。その両端部には中空糸膜開口部３４ａ、３４ｂが形成され、この中空糸膜開口部３４ａ、３４ｂにはそれぞれ透過流体収集部材３５ａ、３５ｂが設けられている。透過流体はここで集約され、一方の端の透過流体は内部管３６を通じてもう一方の透過流体収集部材３５ａに集められる。圧力容器２０には、供給流体入口２１、濃縮流体出口２２、透過流体出口２３が設けられている。

供給流体は、供給流体入口３１から入り、供給流体分配管３２を通りながら中空糸膜３１へ円周方向の外側へ向けて供給され、一部の流体は中空糸膜３１を透過し中空糸膜開口部３４ａ、３４ｂから、透過流体収集部材３５ａ、３５ｂと、内部管３６を経て、透過流体出口２３より透過流体として取り出される。一方、中空糸膜３１を透過しなかった濃縮流体は中空糸膜エレメント２０と圧力容器２０との間の流路を通じて濃縮流体出口２２から濃縮流体として取り出される。濃縮流体はＯリング２４によりシールされているため、透過流体と混合することはない。

特開２００３−２９０６３２号公報

ところで、逆浸透（ＲＯ）等の水理学的な圧力を濾過駆動力とする方式と異なり、半透膜を膜を挟んで両側の溶液の浸透圧差を濾過駆動力とする正浸透（ＦＯ）法で使用した場合、膜面近傍での液流速（膜面流速）が小さいと、膜面近傍で濃縮または希釈が起こる。その結果、濾過の駆動力である有効な浸透圧差が小さくなって、濾過速度が小さくなる。半透膜が中空糸状の場合、中空糸内側は流路が狭いため、膜面流速を大きくしやすいが、中空糸外側は流路が広いため、膜面流速を大きくすると流量が増大して送液のエネルギーが増大する。また偏流・短絡が生じると，ことにより、濾過速度が低下する。

本発明の目的は、半透膜を正浸透法で使用しても良好な濾過速度が得られる中空糸膜モジュールを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜の束とそれを収容したケースの間の間隙に仕切板を設けることによって、この間隙を流れる第二流体の流れを変えて中空糸膜の束の内部へ送り込むことによって第二流体をケース内で混合し、それによって濾過速度の低下を抑制している。

すなわち、本発明は、
両端が開口した多数の中空糸膜からなる束をケース内に収容した中空糸膜モジュールであって、前記ケースの一端に、前記中空糸膜の内部を流通する第一流体の流入口と前記中空糸膜の外部を流通する第二流体の流出口を有し、前記ケースの他端に、前記中空糸膜の内部を流通する第一流体の流出口と前記中空糸膜の外部を流通する第二流体の流入口を有するとともに、前記ケースの内壁と前記中空糸膜束の外縁との間隙に、前記第二流体の流通を妨げる仕切板を有することを特徴とする中空糸膜モジュール、
を提供するものである。

ＦＯ法では、膜の両側の液体について、一定以上の膜面流速を確保するか、混合状態を良くすることによって、膜面近傍の濃度が主流（バルク）の濃度に近づき、濾過速度が高くなる。つまりＦＯ法では、膜の両側が偏流・短絡のないプラグフロー（押出し流れ）であることが理想である。

本発明によれば、中空糸膜の束の外側に仕切を設置することにより混合が促進され、中空糸膜の外側の流れをプラグフローに近づけることができ、偏流・短絡が抑制されることによって、高い濾過効率を得ることを可能にしている。

本発明により、中空糸膜を用いた濾過が正浸透であっても高い濾過率を維持することができる。

本発明の一実施例である中空糸膜モジュールの概略構造を側面断面で示す模式図である。 同縦断面図を示す模式図である。 本発明の別の実施例である中空糸膜モジュールの概略構造を縦断面を示す模式図である。 従来の中空糸膜モジュールの一例の側面断面図である。

本発明の中空糸膜モジュールは、両端が開口した多数の中空糸膜からなる束をケース内に収容したものである。

中空糸膜は、市販のものを使用でき、材質は特に制限されないが、セルロース、酢酸セルロースなどのセルロースエステル、セルロースエーテル、ポリアミド、シリコン樹脂、ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などのポリマーあるいはセラミックなどを挙げることができ、使用目的に応じ対象物を選択的に透過できるものを選ぶ。中空糸膜の形状も特に制限されないが、例示すれば、断面が円形、六角形、トリロバルなどのものである。中空糸の本数は、中空糸膜を収納するケースの大きさ等によって変わるが、例えば直径８インチのケースでは、１,０００〜１,０００,０００本程度である。

中空糸膜の束の数は１束でもよく、あるいは複数、例えば３束、６束、７束などであってもよい。

中空糸膜は、両端が開口されており、この両端を管板で固定する。

中空糸膜の束を収容するケースは、逆浸透等で用いる場合には、その圧力に耐える圧力容器とする必要があり、一方、正浸透で使用する場合には、圧力容器でなくてもよい。ケースの形状も特に限定されないが、通常は円筒状である。

ケースは、一端に中空糸膜の内部を流通する第一流体の流入口と中空糸膜の外部を流通する第二流体の流出口を設け、他端にはこの第一流体の流出口と第二流体の流入口を設ける。これらはケースの端面に設けてもよく、あるいは胴部の端部に設けてもよい。そして、第一流体と第二流体が混ざらないよう両者間の仕切壁を設ける。

中空糸膜モジュールは、一般に、第二流体の流れを確保するために、中空糸膜束の外縁とケースの内壁の間に間隙が設けられている。

本発明の中空糸膜モジュールは、この間隙に第二流体の流通を妨げる仕切板を設けたことを特徴としている。この仕切板は、ケースの内壁と中空糸膜束の間隙を流れる第二流体の流れを堰き止めてその流れを中空糸膜束の内部へ向かう方向に変えるものである。仕切板の面積（ケースの筒長方向と直角方向の面積）は、間隙全体を占めてしまうと第二流体の流れが悪くなるので、間隙の面積の９５％以下程度とすることが好ましい。形状は問わないが、例えば輪環状である。中空糸膜束が複数あるときは、例えばレンコン状にする。仕切板には流通口を設けることができる。流通口は、第二流体の流れを均一に近づけてデッドスペースをなくすものであり、形状は問わないが、円形が圧損が低く目詰まりしにくい点で好ましい。直径は例えば５〜２０ｍｍ程度である。仕切板の数は、ケースの筒長１０〜１００ｃｍ当りに１枚が適当である。

本発明の中空糸膜モジュールは、正浸透、逆浸透のいずれにも用いることができるが、浸透圧差を濾過駆動力としている正浸透の場合に特に威力を発揮する。そして、原水と濃厚溶液はいずれを第一流体にすることもできる。

本発明の中空糸膜で処理する原水の種類も問わないが、例えば、海水の淡水化、廃水の浄化、無菌水の製造などである。

海水を正浸透で淡水化する方法は、米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８Ａ１号明細書、特開２００１−８３６６３号公報などで知られており、基本的に海水より高濃度の塩溶液を半透膜を介して対峙させて海水中の水を塩溶液側に移行させるものである。そして、この塩溶液に揮発性ガスの組合わせ、例えばアンモニアと二酸化炭素を用い、水が移行した塩溶液を蒸留して揮発性ガスを蒸発分離して淡水を得る。

本発明の中空糸膜モジュールの一例の概略構造を図１、図２に示す。

この中空糸膜モジュールは、円筒形のケース１内に多数の中空糸膜２がケース１の筒長方向に揃えて並べられ、各中空糸膜の両端は管板３、４で固定されている。ケース１の一方の端部には第一流体である原水の入口５と希釈濃厚溶液出口６が、他端には濃縮原水出口７と第二流体である濃厚溶液の入口８が設けられている。ケース１の両端の内側には仕切９、１０が設けられて、両端に室１１、１２が形成されている。原水入口５側の室１１は、希釈濃厚溶液を集める室であり、濃縮原水出口７側の室１２は、濃厚溶液を分散させる室である。仕切９と管板３の間には、中空糸膜２に通す原水を分散させるための室１３が、中空糸膜２の出口側の管板４と仕切１０の間には中空糸膜から出てまた濃縮原水を集める室１４が設けられている。そして、中空糸膜２束の外縁とケース１の内壁の間隙には、第二流体の流通を妨げる仕切板１５が略等間隔に３箇所に設けられている。各仕切板１５には、円周方向に略等間隙に４個の流通口１６が設けられている。各仕切板の間隙に占める面積（流通口１６を除く）は３％である。各仕切板の流通口は、第二流体の短絡（ショートパス）を防ぐため、周方向にずらして設けたほうが良い（図２の点線）。

このような中空糸膜モジュールにいおいて、原水は原水入口５からモジュール内の室１３に入って中空糸膜２を通過する。その際、原水中の水は、浸透圧の差により中空糸膜２を通って濃厚溶液側に移る。その結果、濃縮された原水は、中空糸膜２を出て室１４に入り、濃縮原水出口７からモジュール外に出る。一方、濃厚溶液は、濃厚溶液入口８からモジュール内の室１２に入り、仕切１０を通過して中空糸膜２の外側を流れる。その際、ケースの内壁と中空糸膜束の外縁との間隙を流れる濃厚溶液は仕切板１５に当って中空糸膜束内に流れ方向を変えるが、一部は流通口１６を通過する。こうしてモジュール内で混合されて膜面近傍の濃度が主流に近づいて効率よく、原水中の水を濃厚溶液へ移動させる。原水から移行する水で希釈された濃厚溶液は、室１１に集まり、希釈濃度溶液出口６から出る。

中空糸膜は、海水の淡水化、廃水の浄化等各種の分野で幅広く用いられており、本発明のモジュールはそれらに広く適用できる。

１ ケース
２ 中空糸膜
３ 管板
４ 管板
５ 原水（第一流体）入口
６ 希釈濃厚溶液出口
７ 濃縮原水出口
８ 濃厚溶液（第二流体）入口
９ 仕切
１０ 仕切
１１ 室
１２ 室
１３ 室
１４ 室
１５ 仕切板
１６ 流通口

従来の中空糸膜モジュールの一例を図４に示す。この中空糸膜モジュールは特許文献１の図１に示されており、円筒状の圧力容器２０に１つの中空糸膜エレメント３０が装着されている。この中空糸膜エレメント３０は、中空糸膜３１が供給流体分配管３２の周りに交差状に配置されており、その両端は樹脂３３ａ、３３ｂで固定されている。その両端部には中空糸膜開口部３４ａ、３４ｂが形成され、この中空糸膜開口部３４ａ、３４ｂにはそれぞれ透過流体収集部材３５ａ、３５ｂが設けられている。透過流体はここで集約され、一方の端の透過流体は内部管３６を通じてもう一方の透過流体収集部材３５ａに集められる。圧力容器２０には、供給流体入口２１、濃縮流体出口２２、透過流体出口２３が設けられている。

供給流体は、供給流体入口２１から入り、供給流体分配管３２を通りながら中空糸膜３１へ円周方向の外側へ向けて供給され、一部の流体は中空糸膜３１を透過し中空糸膜開口部３４ａ、３４ｂから、透過流体収集部材３５ａ、３５ｂと、内部管３６を経て、透過流体出口２３より透過流体として取り出される。一方、中空糸膜３１を透過しなかった濃縮流体は中空糸膜エレメント３０と圧力容器２０との間の流路を通じて濃縮流体出口２２から濃縮流体として取り出される。濃縮流体はＯリング２４によりシールされているため、透過流体と混合することはない。

本発明の一実施例である中空糸膜モジュールの概略構造を側面断面で示す模式図である。 同縦断面図を示す模式図である。 本発明の別の実施例である中空糸膜モジュールの概略構造を縦断面で示す模式図である。 従来の中空糸膜モジュールの一例の側面断面図である。

このような中空糸膜モジュールにいおいて、原水は原水入口５からモジュール内の室１３に入って中空糸膜２を通過する。その際、原水中の水は、浸透圧の差により中空糸膜２を通って濃厚溶液側に移る。その結果、濃縮された原水は、中空糸膜２を出て室１４に入り、濃縮原水出口７からモジュール外に出る。一方、濃厚溶液は、濃厚溶液入口８からモジュール内の室１２に入り、仕切１０を通過して中空糸膜２の外側を流れる。その際、ケースの内壁と中空糸膜束の外縁との間隙を流れる濃厚溶液は仕切板１５に当って中空糸膜束内に流れ方向を変えるが、一部は流通口１６を通過する。こうしてモジュール内で混合されて膜面近傍の濃度が主流に近づいて効率よく、原水中の水を濃厚溶液へ移動させる。原水から移行する水で希釈された濃厚溶液は、室１１に集まり、希釈濃度溶液出口６から出る。
図３は、本発明の別の実施例である中空糸膜モジュールの概略構造を縦断面で示すものであり、それぞれ多数の中空糸膜２の束をケース内に５束収容するとともに、ケースの内壁と中空糸膜束との間隙および中空糸膜束間の間隙における第二流体の流通を防げる仕切板１５が設けられている。

Claims (3)

1. 両端が開口した多数の中空糸膜からなる束をケース内に収容した中空糸膜モジュールであって、前記ケースの一端に、前記中空糸膜の内部を流通する第一流体の流入口と前記中空糸膜の外部を流通する第二流体の流出口を有し、前記ケースの他端に、前記中空糸膜の内部を流通する第一流体の流出口と前記中空糸膜の外部を流通する第二流体の流入口を有するとともに、前記ケースの内壁と前記中空糸膜束の外縁との間隙に、前記第二流体の流通を妨げる仕切板を有することを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記多数の中空糸膜からなる束を、ケース内に複数束収容するとともに、前記仕切板が、前記ケースの内壁と前記中空糸膜束の外縁との間隙および中空糸膜束間の間隙における前記第二流体の流通を妨げる仕切板であることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記仕切板に、前記第二流体の流通口を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の中空糸膜モジュール。

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