JP2014184402A - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度の誘導溶液を用いて半透膜を正浸透法で使用しても圧力損失の小さい中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】上記課題は、中空ケース内に、中空糸膜内径の異なる中空糸膜エレメントを複数収容するとともに、前記中空ケースの一端に被処理水供給口と誘導溶液の排出口を有し、前記中空ケースの他の一端に被処理水排出口と誘導溶液の供給口を有する正浸透膜処理用中空糸膜モジュールであって、前記複数の中空糸膜内径の異なる中空糸膜エレメントの中空糸膜内側を前記誘導溶液が流れ、中空糸膜外側を被処理水が流れるよう前記中空ケースと前記複数の中空糸膜エレメントとが接続されているとともに、前記複数の中空糸膜エレメントが、中空糸膜内径の大きい順に前期誘導溶液の供給口側から連結されていることを特徴とする正浸透膜処理用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２に示す。この中空糸膜モジュールは特許文献１の図３に示されており、円筒状の圧力容器１８に２つの中空糸膜エレメント１１、１１´が直列に接続されて、中間隔壁２７とともに装着されている。各中空糸エレメント１１、１１´は中空糸膜１２、１２´が供給流体分離管１３、１３´の周りに交差状に配置されており、その両端は樹脂１４ａ、１４ａ´、１４ｂ、１４ｂ´で固定されている。その両端部には中空糸膜開口部１５ａ、１５ａ´、１５ｂ、１５ｂ´が形成され、この中空糸膜開口部１５ａ、１５ａ´、１５ｂ、１５ｂ´にはそれぞれ透過流体収集部材１６ａ、１６ａ´、１６ｂ、１６ｂ´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１７を通じてもう一方の透過流体収集部材１６ａ、１６ａ´に集められる。圧力容器１８には、供給流体入口１９、濃縮流体出口２０、透過流体出口２１が設けられている。

供給流体は、供給流体入口１９から入り、供給流体分配管１３、１３´を通りながら中空糸膜１２、１２´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１２、１２´を透過し中空糸膜開口部１５ａ、１５ａ´、１５ｂ、１５ｂ´から、透過流体収集部材１６ａ、１６ａ´、１６ｂ、１６ｂ´と、内部管１７を経て、透過流体出口２１より透過流体として取り出される。一方、中空糸膜１２、１２´を透過しなかった濃縮流体は中空糸膜エレメント１１、１１´と圧力容器１８との間の流路を通じて濃縮流体出口２３から濃縮流体として取り出される。濃縮流体はＯリング２５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、正浸透法による脱塩・濃縮処理では、逆浸透法の高圧付加の代わりに高浸透圧の誘導溶液を用いるが、誘導溶液は高浸透圧であることが求められ、高濃度となるため粘度も高くなる。その結果、中空糸膜の内側に誘導溶液を流通させる場合、送液のための必要エネルギーが大きくなる、という問題がある。

本発明の目的は、高粘度の誘導溶液を用いて半透膜を正浸透法で使用しても圧力損失の小さい中空糸膜モジュールを提供することにある。

ところで、高粘度の誘導溶液を中空糸膜内側に一定速度で流通させるには、中空糸膜径の大きい膜エレメントが必要になる。ただし、中空糸膜径を大きくすると同一の充填率（容器断面積に占める中空糸膜断面積）では有効面積が小さくなるので透過速度を確保するため、充填率を上げることになる。しかし、充填率を上げた場合、中空糸膜外側の原水流路が狭くなるが、誘導溶液と原水は向流接触のため、誘導溶液入口側では原水は濃縮されて流量が減少しており、問題とならない。誘導溶液は入口から出口にかけて膜透過水により希釈され、濃度が下がるとともに粘度も下がる。よって出口側は中空糸膜系を小さくすることができる。そこで、以上の構成により、同じ長さの膜モジュールに対して、中空糸膜内側を流通させる誘導溶液の圧力損失を低減することができる。

本発明は、これらの考えに基いてなされたものであり、中空ケース内に、中空糸膜内径の異なる中空糸膜エレメントを複数収容するとともに、前記中空ケースの一端に被処理水供給口と誘導溶液の排出口を有し、前記中空ケースの他の一端に被処理水排出口と誘導溶液の供給口を有する正浸透膜処理用中空糸膜モジュールであって、前記複数の中空糸膜内径の異なる中空糸膜エレメントの中空糸膜内側を前記誘導溶液が流れ、中空糸膜外側を被処理水が流れるよう前記中空ケースと前記複数の中空糸膜エレメントとが接続されているとともに、前記複数の中空糸膜エレメントが、中空糸膜内径の大きい順に前期誘導溶液の供給口側から連結されていることを特徴とする正浸透膜処理用中空糸膜モジュールを提供するものである。

本発明により、中空糸膜による濾過が高粘度の誘導溶液を用いた正浸透であっても少ないエネルギーで送液を円滑に行わせることができる。

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 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、直列に結合された複数の中空糸膜エレメントをケース内に収容したものである。この直列に結合された中空糸膜エレメントの数は、限定されないが、列あたり２〜１０個程度、通常３〜５個程度である。列の数は、必要なろ過水量に応じて決める。

中空糸膜エレメントは、両端が開口された多数の中空糸膜の両端に、各中空糸膜に液を分配しあるいは集合させる室が設けられているものである。

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。

本発明では、この中空糸膜に内径の異なるものを用い、誘導溶液をその内側を通過させるとともに、中空糸膜を誘導溶液の供給口側に内径の大きなものを排出口側に内径の小さなものを配置したところに特徴がある。この内径は、誘導溶液の粘度、流量などから定めることができる。

具体的には、誘導溶液の供給口に接続させる中空糸膜エレメントの中空糸膜の内径を１００〜３００μｍ程度、通常１５０〜２００μｍ程度で、排出口に接続させる中空糸膜エレメントの中空糸膜の内径を６０〜１５０μｍ程度、通常８０〜１２０μｍ程度とし、その中間に配置する中空糸膜エレメントの中空糸膜の内径はその中間程度に設定すればよい。

中空糸膜エレメントを収容する中空ケースは、本発明では正浸透法で使用されるので、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、通常は円筒形である。

この中空ケースの一端には被処理水供給口と誘導溶液の排出口を設け、他端には被処理水排出口と誘導溶液の供給口を設ける。

誘導溶液は、原水よりも浸透圧が高いものであればよいが、水が移動して希釈された希釈誘導溶液からの淡水の分離性を考慮すると溶質が揮発性のものが好ましく、例えば、所定量のアンモニアと二酸化炭素を水に溶解して生成する炭酸アンモニウム水溶液が好ましい。所定量とは、浄化対象液中の水を半透膜を通過させて誘導溶液まで移動させることができる濃度にする量であり、原水の塩濃度より高い濃度である。濃度の上限は、アンモニアと二酸化炭素の塩、すなわち、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、アンモニウムカルバメート等が半透膜面や、蒸留塔内で析出しないように定められ、これは実験で求めることができる。中空糸膜面や蒸留塔内に析出物が生じたか否かの確認方法の一つとして長時間運転をして安定稼動可能かどうかで判断する方法がある。アンモニアと二酸化炭素のモル比は１．５〜３程度である。このモル比も中空糸膜面や蒸留塔内でアンモニアと二酸化炭素の塩が析出しないよう配慮する。揮発性溶質としては、アンモニアと二酸化炭素の塩の外、ｔｅｒｔ−ブタノール等のアルコール類やケトン類も使用することができる。

その外、下限臨界温度を有する感温性物質も溶質として用いることができる。すなわち、下限臨界温度を有する感温性物質を水に溶解して調製した高浸透圧の誘導溶液を用いて順浸透膜処理を行い、得られた希釈誘導溶液を下限臨界温度付近まで加温して感温性物質を一部疎水性化して析出させ、これを分離することで、海水等から少ないエネルギーで安価で容易に淡水を得ることができる。

例えば、下限界臨界温度４０℃のポリオキシエチレンアルキルエーテルを誘導物質として用いる場合、常温（５〜２５℃）の希釈誘導溶液中で、感温性物質は、親水性を示し液中に溶解している。これを４０℃まで加温すると感温性物質は疎水化して凝集する。この際に溶液が白濁することから、一般に曇点現象として知られている。曇点は、溶液が白濁する温度として目視で判断される。白濁した感温性物質はやがて比重差により濃厚層と希薄層に分離する。この性質を利用して、最初に重力分離を行うことが望ましい。しかし、曇点をやや下回る温度において凝集粒子が白濁として目視確認できないサイズであっても、凝集反応は進行し、分子が互いに集まり見かけ上の分子数が大幅に減少するため、浸透圧が劇的に低下する。感温性物質が凝集した状態の溶液をＵＦまたはＮＦ膜ろ過すると、感温性物質は容易に膜で排除され、ろ液として純水が得られる。膜濃縮液は、疎水化した感温性物質が凝集した誘導溶液である。これを３０℃に冷却すると、感温性物質が再溶解して誘導溶液が再生される。感温性物質が再溶解した再生誘導溶液においては誘導物質濃度が高まり、所定の高い浸透圧が得られる。再生された誘導溶液を半透膜装置に導入し、被処理水と膜を介して接触させることにより、繰り返し被処理水から純水を得ることができる。

この感温性物質は、各種界面活性剤、分散剤、乳化剤などとして利用されており、例示すれば、アルコールまたは脂肪酸とエチレンオキサイドの化合物、アルコールまたは脂肪酸とプロピレンオキサイドの化合物、アクリルアミドとアルキル基の化合物、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、アミノ酸およびその誘導体などである。本発明において使用する感温性物質としては、下限臨界温度が３０℃〜８０℃の範囲、特に４０℃から６０℃の範囲のものが好ましい。誘導溶液に含まれる感温性物質の濃度は、高浸透圧が得られるようなるべく高濃度にするのがよく、０．１〜１０mol／L程度、特に２〜５mol／L程度の濃度が好ましい。

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に示す。

この中空糸膜モジュールは、中空ケース１０１内に３個の中空糸膜エレメント１０２、１０３、１０４が直列に連結管１０５で連結されている。各中空糸膜エレメントは、図示されていないが、中空糸の両端が管板で固定され、管板と端面の間は液を分配あるいは集結させる室が形成されている。中空糸の材質は三酢酸セルロース、中空糸の内径は誘導液の供給側から１５０μｍ、１２０μｍ、１００μｍである。

この中空糸モジュールには、誘導溶液１は図面右側の中心部に配置された供給口から供給され、中空糸膜エレメント１０２、中空糸膜エレメント１０３、中空糸膜エレメント１０４を順次通過してその間に被処理水３から移動してきた水で希釈され、希釈誘導溶液２となって誘導溶液の排出口から排出される。

一方、被処理水３は、図面左側の被処理水供給口から中空糸モジュール内に供給され、各中空糸膜の外側の被処理水流路１０６を通ってその間に被処理水中の水が中空糸膜を透過したことによって濃縮され、残った濃縮被処理水４は図面右側の被処理水排出口から排出される。

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：誘導溶液
２：希釈誘導溶液
３：被処理水
４：濃縮被処理水
１０１：中空ケース
１０２：中空糸膜エレメント
１０３：中空糸膜エレメント
１０４：中空糸膜エレメント
１０５：連結管
１０６：被処理水流路

Claims (2)

1. 中空ケース内に、中空糸膜内径の異なる中空糸膜エレメントを複数収容するとともに、前記中空ケースの一端に被処理水供給口と誘導溶液の排出口を有し、前記中空ケースの他の一端に被処理水排出口と誘導溶液の供給口を有する正浸透膜処理用中空糸膜モジュールであって、前記複数の中空糸膜内径の異なる中空糸膜エレメントの中空糸膜内側を前記誘導溶液が流れ、中空糸膜外側を被処理水が流れるよう前記中空ケースと前記複数の中空糸膜エレメントとが接続されているとともに、前記複数の中空糸膜エレメントが、中空糸膜内径の大きい順に前期誘導溶液の供給口側から連結されていることを特徴とする正浸透膜処理用中空糸膜モジュール。
2. 請求項１に記載の正浸透膜処理用中空糸膜モジュールを備えた水処理装置。

Images