JP2016511146A - 膜モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、膜、膜モジュール及びその用途に関する。特に、本発明は、浸透圧駆動膜プロセスにおいて使用する膜及び膜モジュールの構成に関する。【選択図】図１３Ｂ

Description

本発明は一般に、膜及び膜モジュールに関し、特に、膜モジュールの製造及び配置並びにその使用に関する。

膜に基づく流体分離システム（例えば、浸透圧及びパーベーパレーション）が、先行技術では一般に知られている。典型的には、これらのシステムは、一緒に配管されている複数の構成要素を備え、これによりシステムの複雑性及び外形寸法を増大する可能性がある。加えて、様々な構成要素を一緒に配管する必要があると、結果的にさらに多くの構成要素（例えば、弁、継手等）が必要となり、そのようなシステムについてさらなる欠点（例えば、さらなる構成要素のコスト、配管リーク）が生じる。

さらに、それら従来のシステムは、単一の用途（例えば、単一経路又はタイプのプロセス）のために配置される傾向にある。したがって、複数のプロセスを行う必要がある場合、及び／又は単一タイプのプロセスの追加の段階が望まれる場合には、追加の構成部品及び配管が必須となることにより、やはりシステムの複雑性及び寸法が増す。具体的には、複数のモジュールを、特定の用途に合うように直列及び／又は並列に配管する必要があるが、一度構成すると、例えば、システム要件の変更に対応する、又は欠陥を修復するように修正を加えることは容易ではないはずである。

加えて、上記流体分離システム／プロセスにおいて使用される膜は通常、多孔質支持層上に配置される薄膜バリア層を備える。従来、膜層は、特定の用途に合うように、また従来のプロセスを経て製造されてきた。例えば、その開示は参照により全体が本明細書中に援用される米国特許第７，８８２，９６３号を参照されたい。一般的には、膜の稼働を開始し、定期的な洗浄以外で、膜の耐用年数の間、意図するそれら膜の機能を果たす。膜の性能を向上させるために様々な変更を加えることができる、例えば、汚染耐性を高め、またフラックスを向上させるために完成した膜の層にナノ粒子が取り込まれるが、膜へのナノ粒子の単なる導入だけでは、あらゆる用途に対する典型的な膜の性能は自動的には向上しない。加えて、正浸透膜モジュールの組立／配置により、様々な膜層が損傷を受ける危険性があり、その損傷の結果として、様々な溶質が膜を通過する可能性がある。したがって、従来の膜（例えば、ナノろ過又は逆浸透膜）とは異なって機能し、最適化要件が異なる膜、特に、正浸透膜の性能向上に対する解決策が依然として必要である。

一般に、本明細書中に記載する膜及び膜カートリッジ／モジュールは、単独で使用することも、又は組み合わせて使用することもでき、封入筐体内に配置する、又はタンク、開放タンク又は密閉タンクのいずれかに沈ませることができる。加えて、プレート及びフレーム構成で、又は渦巻き状に様々な膜を配置することができる。様々な膜構成の例を、その開示は参照により全体が本明細書中に援用される米国特許第８，１８１，７９４号、米国特許出願公開第２０１１／００３６７７４号及び国際特許出願公開第２０１３／０２２９４５号に見ることができる。さらには、本明細書中に記載されている様々な膜を、様々な浸透圧駆動膜システム／プロセスに取り込むことができる。浸透圧駆動膜プロセスの例が、その開示は参照により全体が本明細書中に援用される米国特許第６，３９１，２０５号及び第７，５６０，０２９号、米国特許出願公開第２０１２／００６７８１９号、第２０１１／０２０３９９４号、第２０１２／０２７３４１７号及び第２０１２／０２６７３０６号に開示されている。

一態様において、本発明は正浸透膜モジュールに関する。この正浸透膜モジュールは、少なくとも支持層及びその上に配置されるバリア層を備える膜シートと、膜シートのバリア層に隣接して配置されている第１のメッシュスクリーンと、膜シートの支持層に近接して配置されている第２のメッシュスクリーンと、第２のメッシュスクリーンと膜シートの支持層との間に配置されている保護層とを備える。保護層により、第２のメッシュスクリーンと膜シートの支持層との間接触が低減又は排除される。膜シートは、正浸透原理により溶媒を通過させるために構成される。

本発明の上記態様の様々な実施形態において、保護層は、バリア層のほぼ全域にわたって広がり、厚さ約１．５ミル〜約２０ミルの不織布層を備える。保護層は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又は類似の材料から作製することができる。一部の実施形態においては、保護層の基本重量は約５０〜約１００ｇ／ｍ^２であり、且つ／又はフラジール通気度は約１００〜約１０００ｃｆｍ／ｆｔ^２である。１つ以上の実施形態において、第１のメッシュスクリーンの厚さは約０．０２０インチであり、ストランド間隔は１インチ当たり１６ストランドであり、ストランド配向は９０度であり、第２のメッシュスクリーンの厚さは約０．０３４インチであり、ストランド間隔は１インチ当たり１８ストランドであり、ストランド配向は９０度である。膜の活性領域と干渉しないように、膜周辺で少量ののり等の接着剤により、膜シートに第１のメッシュスクリーン、第２のメッシュスクリーン又は保護層の１つ以上を固定することができる。ヒートシール及び／又は音波溶接も考えられる。様々な実施形態において、膜モジュールは、渦巻き状膜アセンブリを形成するよう中心筒に巻かれている。

別の態様において、本発明は、正浸透膜モジュールと、正浸透膜モジュールを少なくとも部分的に封入する筐体を備える膜アセンブリに関する。正浸透膜モジュールは、少なくとも支持層及びその上に配置されるバリア層を備える膜シートと、膜シートのバリア層に隣接して配置されている第１のメッシュスクリーンと、膜シートの支持層に近接して配置されている第２のメッシュスクリーンと、第２のメッシュスクリーンと膜シートの支持層との間に配置されている保護層とを備える。保護層により、第２のメッシュスクリーンと膜シートの支持層との間の接触が軽減又は排除される。膜シートは、正浸透原理により溶媒を通過させるために構成されている。筐体は、流体浸入及び流体放出のための手段を備えることができる。また、筐体は、例えば、渦巻き状又はプレート及びフレーム構成で膜モジュールを完全に封入する容器であってもよい。あるいは、筐体は、膜モジュールを部分的にしか封入しないように構成することも、又は浸漬用途において使用するためにモジュールを一緒に保持するための骨格又は枠組みで構成することもできる。

上記態様の様々な実施形態において、流体浸入のための手段は、膜モジュールの片側に供給液を導入するための第１の入口と、膜モジュールの反対側に駆動液を導入するための第２の入口とを備える。流体放出のための手段は、膜モジュールの片側から濃縮供給液を放出するための第１の出口と、前記膜モジュールの反対側から希釈駆動液を放出するための第２の出口とを備える。１つ以上の実施形態において、筐体は圧力容器であり、膜モジュールは、渦巻き状膜アセンブリを形成するよう中心筒に巻かれている。代替の一実施形態においては、膜モジュールは実質的平面構成を有し、プレート及びフレーム構成で組み立てられる。

別の態様において、本発明は、排除特性が向上した正浸透膜に関する。この膜は、実質的平面基板と、実質的平面基板上に配置されている高分子支持層と、高分子支持層上に配置される高分子バリア層とを備える。バリア層は、バリア層内に実質的に均等に分散している複数の層状複水酸化物ナノ粒子を含む。一般に、語句「均等に分散している」とは、ナノ粒子が高分子支持層上には沈殿していないが、代わりに支持層とバリア層との接合部の上に通常位置することを示すために使用される。一部の実施形態においては、ナノ粒子を有する第１の槽に界面活性剤を添加して、最上層又は最下層においてナノ粒子が層状になることを防止する。

上記態様の様々な実施形態において、実質的平面基板は、ポリマー紙又は他のタイプの不織布基板を備えることができる。支持層及びバリア層は、例えば、界面重合又は他の適切な手段により膜アセンブリ上に堆積させることができる。１つ以上の実施形態において、層状複水酸化物ナノ粒子は、Ｍｇ／Ａｌ−ＬＤＨ、例えば、Ｍｇ_ｎ Ａｌ_ｎ−１（ＯＨ）_２のフレークを備える。ナノ粒子フレークは縦軸を備えることができ、縦軸は、前記バリア層に対して水平に、又は平行に配向している（すなわち、フレークは、バリア層内で本質的に「平ら」になっている）。様々な実施形態において、層状複水酸化物ナノ粒子は、約１：１〜約１０：１の比率でマグネシウム（Ｍｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含む。特定の一実施形態においては、この比率は３：１である。

さらに別の態様においては、本発明は、正浸透膜を製造する方法に関する。この方法は、実質的平面基板を設けるステップと、実質的平面基板上に高分子支持体をキャストするステップと、高分子支持層上に高分子バリア層をキャストするステップとを含む。バリア層は、バリア層内に実質的に均等に分散している複数の層状複水酸化物ナノ粒子を含む。

上記態様の様々な実施形態において、高分子バリア層をキャストするステップは、第１のモノマーを含む溶媒槽へと層状複水酸化物ナノ粒子を導入するステップと、溶媒槽に、実質的平面基板及び支持層を導入するステップと、実質的平面基板及び支持層を、層状複水酸化物ナノ粒子を分散させるための手段にさらすステップと、第２のモノマーを備える第２の槽に、実質的平面基板及び支持層を導入するステップと、モノマーを反応させて、バリア層を形成し、バリア層内の適切な位置にナノ粒子を設置するステップとを含む。分散手段は、常時又はパルスのようにして印加される超音波、電磁又は熱等のエネルギー場に溶媒槽をさらすことを含むことができる。分散手段は、膜基板及び支持層を通過するように連続的に溶媒槽に適用することができる。加えて、又はあるいは、分散手段は、例えば第１の槽から第２の槽を通過するときに、膜基板に直接適用することができる。

追加の態様においては、本発明は、本明細書中に記載されている膜モジュールのいずれかを備えることができる、正浸透膜システム及び／又は正浸透分離作業を容易にする方法に関する。

浸透分離プロセスには一般に、浸透圧差に基づき半透膜を横切る水フラックスを生成することが含まれる。溶質を膜によって排除し、膜の選択的バリアに対して溶質よりも大きい水の透過率により、片側に保持することができる。溶質が望ましくないことがあるため、精製のための膜分離によりプロセスの流れから取り除かれることがあるが、膜分離プロセスにより濃縮及び回収することができるその場合には、望ましいこともある。脱塩、廃水浄化及び再利用、ＦＯ又はＰＲＯバイオリアクタ、様々な液体流の濃縮又は脱水、医薬品及び食品等級用途における濃縮、ＰＲＯエネルギー生成及び浸透圧熱エンジンによるエネルギー生成等であるがこれらに限定されない様々な浸透圧駆動分離プロセスにおいて、膜を使用することができる。

典型的には、高分子膜は通常、選択層を機械的及び構造的に支持する多孔質支持構造を備える。意図する用途に応じて、渦巻き、中空繊維、管状及び平面シートを含めた様々な形状に膜を形成することができる。膜特性は、理想的性能を実現するようにカスタマイズすべきであるが、特定の用途間で異なる。例えば、ＦＯ及びＰＲＯ用途においては、膜の多孔率及び親水性を増大させながらその厚さ及びねじれを低減させることによって、強度、脱塩及び透水特性を犠牲にすることなく分離プロセスの有効性を高めることができる。

膜製造プロセス中、基板の支持材料には、選択的（すなわち、バリア）又はそうでなければ活性層を適用することができる。一部の実施形態においては、活性層として半透層を適用することができる。半透層は、ポリマーを含むことができる。特定の実施形態において、半透層は、ポリアミド尿素、ブロック共重合体、ポリピペラジン等のポリアミドを含むことができる。一部の非限定的実施形態においては、二重層基板のＰＥＴ支持層にポリスルホン層を適用することができる。

基板材料は、溶媒、例えば、ジメチルホルムアミド中のポリマー、例えば、ポリスルホンの溶液を塗布するポリマー塗布デバイスへと搬送することができる。コーティングすると、基板は急冷槽に入ることができ、この急冷槽においては、二重層材料の最上層へとポリマーが沈殿する。急冷槽の温度は変化することがあり、結果として得られる膜の１つ以上の特性に影響を与えることがある。少なくとも一部の好ましい非限定的実施形態においては、正浸透膜の特性向上は、１００°Ｆ〜１１０°Ｆの範囲の急冷槽温度と関連付けることができる。

１つ以上の実施形態によれば、開示の薄膜複合膜における選択的バリアは、脂肪族又は芳香族ポリアミド、芳香族ポリヒドラジン、ポリ−ベンズイミダゾール、ポリエピアミン／アミド、ポリエピアミン／尿素、ポリエチレンイミン／尿素、スルホン化ポリフラン、ポリベンズイミダゾール、ポリピペラジンイソフタルアミド、ポリエーテル、ポリエーテル−尿素、ポリエステル、もしくはポリイミド、又はこれらの共重合体もしくはこれらのいずれかの混合物等、半透膜三次元ポリマーネットワークでよい。特定の実施形態においては、この選択的バリアは、ハロゲン化フタロイル（例えば、イソフタロイルもしくはテレフタロイル）、ハロゲン化トリメシル、又はこれらの混合物の残基等、芳香族又は非芳香族ポリアミドでよい。別の例では、ポリアミドは、ジアミノベンゼン、トリアミノベンゼン、ポリエーテルイミン、ピペラジンもしくはポリ−ピペラジンの残基、又はハロゲン化トリメソイルの残基及びジアミノベンゼンの残基でよい。選択的バリアは、塩化トリメソイル及びｍ−フェニレンジアミンの残基を含むこともできる。さらに、選択的バリアは、塩化トリメソイルとｍ−フェニレンジアミンとの反応生成物であってもよい。

１つ以上の実施形態よれば、選択的バリアは、全膜厚を通常最小限に抑えながら所望の脱塩及び透水特性を付与するために十分な厚さによって、特徴付けることができる。特定の実施形態においては、選択的バリアの平均厚さは約５０ｎｍ〜約２００ｎｍでよい。バリア層の厚さは、可能な限り制限することが望まれるが、コーティング表面における欠陥を防止するには十分な厚さでもある。圧力駆動半透膜用のポリアミド膜形成を実施すると、適当なバリア膜厚の選択を通知することができる。重合、例えば、界面重合により多孔質支持体の表面に選択的バリアを形成することができる。

１つ以上の実施形態による多孔質支持体としての使用に適していることがあるポリマーとしては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ（エーテルスルホンケトン）、ポリ（エーテルエチルケトン）、ポリ（フタラジノンエーテルスルホンケトン）、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ポリ（フッ化ビニル）、ポリエーテルイミド、酢酸セルロース、二酢酸セルロース及び三酢酸セルロースポリアクリロニトリルが挙げられる。

１つ以上の実施形態によれば、支持層は、全膜厚を通常最小限に抑えながら製造及び使用中の膜を支持し、構造安定性を提供するために十分な厚さによって、特徴付けることができる。特定の実施形態においては、ポリマー支層体の平均厚さは約１０μｍ〜約７５μｍでよい。支持体は、バリア層の界面重合のために支持体表面の品質を犠牲にすることなく可能な限り薄いことが一般的には望ましい。支持層が平滑になればなるほど、支持材料の厚さが小さいことが、この基準には一般に求められる。少なくとも一部の好ましい実施形態においては、この層は約４０μｍ未満である。特定の実施形態においては、多孔質支持体が、第１の複数の細孔を有する第１の面（活性面）と、第２の複数の細孔を有する第２の面（支持面）を備える。特定の実施形態においては、第１の複数の細孔と、第２の複数の細孔とが、互いに流体接続している。一実施形態においては、多孔質支持体内に高分子添加物が分散している。添加剤により、親水性、強度又は他の所望の特性を高めることができる。

膜のバリア性を向上させるため等、活性層内で所望の架橋度を実現することができる。脱塩及び全体的性能を向上させるため、ポリアミド層内で架橋を誘発することが一般的には望ましい。１つ以上の実施形態によれば、親水性材料の性能を低下させず、製造及び処理プロセスを通して湿潤状態で維持するようにして架橋を実現する。一部の実施形態においては、架橋を促進するために熱水アニーリングを使用することができる。他の実施形態においては、活性層堆積もしくは形成プロセス中に、又は活性層堆積もしくは形成プロセス後に、膜作製プロセスの浸漬ステップの１つ以上において、熱処理が生じることがある。他の実施形態においては、化学処理を使用することもできる。少なくとも１つの実施形態においては、オーブン乾燥等の熱乾燥を使用しない。一部のそのような実施形態において、膜は、水への浸漬によって容易に再湿潤することになるが、一部の実施形態においては、使用に向けて用意ができた際に実質的に湿潤性となるように、水と併せて湿潤剤にさらすことで膜は再湿潤することになる。一部の実施形態においては、膜は、脱塩が少なくとも９９％又はそれ以上であるとして特徴付けることができる。正浸透膜は一般に、比較的薄くてよいが、高多孔度、低ねじれ及び高湿潤性によって特徴付けることができる。これらの膜は、浸透圧駆動浄水及びろ過、海水の脱塩、汚染された水性廃棄物流の精製、様々な水流の分離、浸透圧発電等を含め、様々な用途において利用を見いだすことができる。

一部の実施形態においては、ひずみを伴う変形に対するポリマー耐性を与えることを主な目的とする材料上又は材料周りをコーティングするポリマーの相反転を利用して、膜支持体を作り出すことができる。例えば、非常に粗く薄い織布又は不織布材料を、ポリマーの下にではなく、ポリマーで取り囲むことができる。その後、この支持構造上で、排除ポリマーの界面重合を行うことができる。１つ以上の実施形態によれば、正浸透膜は、織布又は不織布上の親水性相反転膜でよい。この親水性材料は、一部の非限定的実施形態においては、単独でＰＡＮであっても、他のモノマーと混合させたＰＡＮであってもよい。布層は、任意の所望の厚さでよい。一部の非限定的実施形態において、布は、厚さ約２５マイクロメートルであってよい。正浸透膜はさらに、その表面上のポリアミド界面重合によって特徴付けることができる。結果的に任意の所望の厚さの膜が得られるように、ポリアミド活性層を適用することができる。一部の非限定的実施形態においては、膜は厚さ約２５マイクロメートルでよい。吸引溶質の排除を強化するために、正浸透膜の活性層を改質することができる。支持膜は不織布でよく、任意の材料から作製することができるが、薄さ、高多孔度、低ねじれ及び親水性が一般的には望ましい。支持膜の厚さは変化することがある。一部の実施形態においては、支持膜は約１００マイクロメートル未満、約８０マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満であっても、又はそれより薄くてもよい。少なくとも１つの実施形態においては、多孔質ポリエステル不織布支持膜を基板として使用することができる。

１つ以上の実施形態によれば、まず支持層を作り出すことによって、正浸透膜を形成することができる。一部の非限定的実施形態においては、ジメチルホルムアミド中約１０％〜約２０％、好ましくは約１２％〜１６％、より好ましくは約１３．５％〜１５％のポリスルホン溶液で、約３０マイクロメートル未満の薄い織物バッキング層を被覆することができる。フラックスを含めた正浸透膜特性をさらに向上させるために、より低濃度のポリスルホンを使用することもできる。一部の実施形態においては、支持層が拡散に与える影響を最小限に抑えるために、ポリスルホンコーティングの量は一般的には約１６ｇ／ｍ^２未満でよい。結果として得られる支持層前駆体をその後、室温の水に浸漬させて、それによりポリマーの相反転を生じさせることができる。９０°Ｆを超える温度への浸漬を使用して、支持層の細孔特性を向上させることができる。これにより、ローリング及びハンドリングに向けてポリマー強度を与える埋め込み網目を有する、薄く、微孔性の、開放支持構造を作り出すことができる。その後、この支持構造に活性層を適用することができる。活性層を有するこの支持構造のコーティングの一例には、ポリアミド又は他の所望の活性材料を含有する溶液への支持体の浸漬があるはずである。一実施形態においては、室温水中１−３フェニレンジアミンの３．４％溶液に、支持構造を浸漬させることができる。この溶液の濃度は、適用する活性層の所望の特性に基づき異なることがある。浸漬の継続時間もまた異なることがある。一部の実施形態においては、継続時間は約５分未満となることがある。例示的な一実施形態においては、浸漬の継続時間は約２分でよい。膜の表面からの余分溶液は、例えば、ローラー又はエアナイフで取り除くことができる。

その後、相が交わる支持材料の表面における水相中のジアミンと、例えば、非水相中の酸塩化物との組合せによってポリアミド排除層の重合を誘起するために、別の溶液に膜を少しの間浸漬させることができる。一部の実施形態においては、約２分間溶液に膜を浸漬することができる。一実施形態においては、室温におけるＩｓｏｐａｒ ＲＴＭ Ｃ又はＧ中９８％３，５ベンゼントリカルボニルトリクロリドの０．１５％溶液を使用することができる。その後膜を取り出し、ある時間、例えば、約５分未満の間、膜からＩｓｏｐａｒ ＲＴＭを蒸発させることができる。一部の実施形態においては、蒸発ステップの継続時間は約２分でよい。一部の実施形態においては、浸漬が、実質的には膜の表面のみが溶液と接触するプロセス等の、ディップコーティングプロセスの形をとることができる。他の実施形態においては、膜全体を槽に浸すこともできる。一部の実施形態においては、一連の異なる浸漬ステップにおいて等、これら技法の組合せを使用することができる。他の実施形態においては、活性層重合もしくは堆積ステップ中又は活性層重合もしくは堆積ステップ後等、他の目的に向けた任意又はいくつかの浸漬ステップにおいて、膜の熱処理が生じることがある。

これらの、また他の目的は、本明細書中に開示されている本発明の利点及び特徴と共に、以下の説明及び添付図面を参照することにより明らかとなるであろう。さらに、本明細書中に記載されている様々な実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、様々な組合せ及び置換で存在し得ることを理解されたい。

図面中、同様の参照文字は、異なる図を通して全体的に同じ部分を参照する。また、図面は必ずしも原寸に比例しておらず、代わりに本発明の原理を説明することに全体的には重点を置いているが、本発明の限定の定義として意図されるものではない。明確にする目的のため、すべての図面においてすべての構成要素に表示が付いているわけではない。以下の説明においては、下記図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。

本発明の１つ以上の実施形態による膜モジュールアセンブリの斜視図である。 図１の膜モジュールの部分断面における端面図及び側面図である。 図１の膜モジュールの部分断面における端面図及び側面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜フレームの模式図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜フレームの模式図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜フレームの模式図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜フレームの模式図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜モジュールアレイの模式図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜モジュールの模式平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図５のモジュールの断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図５のモジュールの代替断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図５のモジュールの代替断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュール構造の部分断面である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュールの模式平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による別の代替の膜モジュールの模式斜視図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、線Ａ−Ａに沿った図８のモジュールの部分断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による代替の膜モジュールの模式平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜モジュールがその中に設置されている供給タンクの部分断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜モジュールを形成することができる層の配置の部分分解図である。 渦巻き状の図１１Ａの膜層配置の部分断面図である。 例示的な層状複水酸化物ナノ粒子及びその式のグラフィック描写である。 本発明の１つ以上の実施形態による、取り込まれたナノ粒子を有する場合及び有していない場合の膜のＳＥＭ像である。 本発明の１つ以上の実施形態による、取り込まれたナノ粒子を有する場合及び有していない場合の膜のＳＥＭ像である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜バリア及び支持層の拡大した部分断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜バリア及び支持層の拡大した部分断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による膜製造プロセスの一部の略図である。

図１は、本発明の１つ以上の実施形態による膜モジュール１０の斜視図を示す。このモジュール１０は、プレート及びフレーム配置形式を有し、筐体１６と、その中に配置される複数の膜プレート１２、１４を備える。モジュールの中で複数の流れを方向付けるために、任意の所与のモジュールに含まれる２種以上の異なる膜プレート構成があってもよいが、膜プレートはモジュールの使用に応じて異なる機能を実施する形式が異なってもよいことに留意されたい。例えば、浸透膜、蒸気接触膜及び熱交換膜任意の組合せをモジュールが備えることができる。加えて、膜プレートはすべて同一とすることができ、ここで例えば、正浸透のためだけにモジュールを構成する。一実施形態において、筐体１６は、中心本体１５と、本体１５の各端に配置されるバルクヘッド１７とを備える。図１に示すように、筐体１６はほぼ矩形状であるが、他の形状、例えば、典型的な圧力容器と類似した、ドーム型のバルクヘッドを有する円筒形も考えられ、本発明の範囲内と見なされる。本体１５及びバルクヘッド１７は、任意の公知の機械的手段、例えば、溶接接続、ねじ込み接続又はフランジ接続により組み立てることができる。ねじ込み接続の場合には、膜スタックの保守を行う（例えば、個々の膜プレートを取り換える）ために、又は代替のバルクヘッドと、例えば、代替のポート配置と交換するために、バルクヘッド１７を本体１５から取り外すことができる。

膜プレート１２、１４は、以下で論じるように相補的形状及び流路を備え、所定の流路に沿って異なるプロセス流を方向付けるように交互に配置されている。バルクヘッド１７及び本体１５は、様々な流れに対し入口及び出口を提供する複数のポート２２、２３を備える。図１に示すように、モジュール１０は、第１のプロセス流に対する入口２２ａ及び出口２２ｂと、第２のプロセス流に対する入口２３ａ及び出口２３ｂとを備える。図示する実施形態においては、プロセス流が同じ方向に流れるように、入口２２ａ、２３ａ及び出口２２ｂ、２３ｂがモジュール１０の同じ一般的な端部に位置しているが、いずれかの流れに対する入口／出口の位置を反転させて、２つの流れの間に逆流を供給することができる。一部の実施形態においては、本体１５及び／又はバルクヘッド１７は、追加のプロセス流に対応するための、又は保守目的の（例えば、空気もしくは清浄液を導入するための）追加のポートを備えることができる。これらポートは、例えば、ねじ込み式であっても、フランジ式であっても、又は迅速交換式継手を装着することもできる。膜プレート１２、１４及びポート２２、２３の配置の一例を、図２Ａ及び図２Ｂに示す。

図２Ａは、膜プレート配置を説明するために一方のバルクヘッド１７の一部が取り除かれている状態の、図１の膜モジュール１０の端面図を示す。図２Ｂは、膜モジュール１０の部分側面図を断面で示す。図に示すように、モジュール１０は、直接又はエンドプレート２４、２６を介して筐体内に固定されている膜プレート１２、１４を交互に備える。図示した膜プレート１０は、２枚の内側エンドプレート２６と、２枚の外側エンドプレート２４とを備え、これらプレートは、その周辺で筐体１６及び／又はバルクヘッド１７に対して密封されている。例えば、一実施形態において、内側エンドプレート２６は、筐体１６の本体１５の端開口部１９に対して密封させることができ、様々な膜プレート１２、１４が貫通する開口部を備えることができる。膜プレートは、（気体又は液体（例えば、水溶液又は非水溶液）が、筐体本体１５及び／又はバルクヘッド１７におけるポート並びに膜プレートのポートによって決まる通り、特定の膜プレート間にのみ流れることができるように、（例えば、溶接又は他の機械的手段により密封する。１つ以上の実施形態において、外側エンドプレート２４をバルクヘッド１７内に配置することができ、そのバルクヘッド内バルクヘッド周辺で密封することができる。外側エンドプレート２４もまた、膜プレートを貫通させることが可能となる開口部を備えることができる。これらの膜プレートはまた、バルクヘッド１７におけるポート及び膜プレートのポートに基づき特定の膜プレート間で液体又は気体の流れを方向付けるように、外側エンドプレート２４と密封係合する。代替の実施形態においては、膜モジュール１０の中で３つ以上の異なる流れを方向付けるために、追加のポートと併せて追加のエンドプレートを使用することができる。

１つ以上の実施形態によれば、膜は、平板正浸透膜モジュール設計２００で構成される。平板膜エンベロープにより、膜エンベロープ内の駆動液の流れを促進することができる。図３Ａに示すように、構造的な支持を提供する２枚のプラスチックフレーム２０３間に、膜シート２０１をのり付けすることができる。あるいは、膜をフレームに直接ヒートシールすることもできる。図３Ｂに示すように、２枚の膜フレームを組み合わせて１つの膜エンベロープとすることもできる。図３Ｃに示すように、一様分布及びエンベロープ内駆動液の回収を促進するためにフレーム２０３の対向端にオリフィス２０５列が作製されるように、フレーム２０３を設計することができる。

少なくとも一部の実施形態においては、膜を横切る水輸送の結果として駆動液がエンベロープ内を流れると、駆動液の体積が大幅に増加することがある。そのような流れ構成であると、モジュール２００を通る駆動液の粘度は、体積が増加すると増加することがあり、これにより圧力降下の増大を招き、またポンピングエネルギーが必要となることがある。１つ以上の実施形態によれば、モジュール２００の入口から出口まで体積が増加すると、比較的一定の駆動液速度を有益に保つことができる。あるいは、図３Ｄに示すように、モジュール２００’は、その内部体積に対して非対称、例えば、より高い体積流量に対して底部でより厚くてもよい。加えて、又はあるいは、モジュールはある程度柔軟性があってもよい。

１つ以上の実施形態によれば、膜エンベロープを、複数のエンベロープからなるモジュールに構成することができる。エンベロープ間の最終的な間隔及びモジュールの寸法は、製品開発時に決定することができる。例えば、非限定的な一実施形態においては、単位体積当たりの膜面積を見積もるために、モジュール幅１インチ当たり３つのエンベロープを使用することができる。図４に関して、複数のモジュール２００を縦に配列してスタックアセンブリとすることができ、水も駆動液も共に鉛直流が可能となるように設計される各モジュール間にプラスチック支持フレームを有する。組立時及び分解時並びに／あるいは膜タンクからの取出し時の扱いやすさを含めた要因に基づいて、個々のモジュール及びスタックの全体寸法を決定することができる。供給液及び駆動液の水力特性が維持されるように、モジュール、スペーサ及びスタックを設計することができる。

図５は、フレーム３０３及び１枚以上の膜シート３０１で形成される膜モジュール３００の別の実施形態を示す。フレームは矩形として示しているが、特定の用途に合うよう任意の形状又は形状の任意の組合せとすることができる。図５に示すように、フレームはポリカーボネート製であるが、特定の用途に合うよう（例えば、材質適合性）、他のポリマー（例えば、ＰＶＣ、ＰＣもしくはＰＥＴ）又は様々な金属を選択することができる。一部の実施形態においては、角形管又はＣ字型チャネルを使用するが、適切な厚さの熱成形プレートを使用することができる。フレーム３０３はまた、膜シートの（１つ以上の）透過側へと露出される溶液、例えば、駆動液の導入及び除去のための２つのポート３０５ａ、３０５ｂ（例えば、及び入口及び出口）も備える。代替の実施形態においては、ポート３０５は、１つ以上のポートを含むマニホールド配置とすることができ、フレーム３０３の上面、底面もしくは側面の一部もしくはすべてに沿って延在する（又は一部もしくはすべての中に形成する）ことができる。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、可能なフレーム及び膜配置の一部を断面で示す。図５Ａに示すように、フレーム２０３は、全体的には正方形のＣ字型断面を有し、溶接又はそうでなければ結合されてフレーム３０３を形成する４つの部品（上面、底面及び２つの側面）を備える。ボンディング（例えば、溶接もしくは接着剤）又は機械的ファスナを介してフレーム３０３に固定することができるスペーサ３０７（典型的にはスクリーン）が、フレーム３０３内に取り込まれている。一部の実施形態においては、スペーサ３０７はフレーム３０３内で浮遊している、且つ／又はモジュール／カートリッジの組立時にフレームへと滑り込ませることができる。

図５Ａにも示すように、モジュール３００は、フレーム３０３の各側面に取り付けられている２枚の膜シート３０１を備える。１つ以上の実施形態において、膜３０１は、音波溶接によって膜をフレーム３０３に熱結合することによって、フレームに固定されている。あるいは、膜シート３０１の全周囲３１１がフレーム３０３に対して密封されるのであれば、溶剤結合、接着剤又は機械的締結手段（例えば、追加のフレーム及びファスナ）により膜３０１を取り付けることもできる。典型的には、同じ側面がフレーム３０３の内側に向いているように、膜シート３０１の向きを決めることになる。例えば、駆動液がモジュール３００の内部を通って方向付けられている場合、膜３０１の透過側は内側に向いている。追加の実施形態においては、フレーム／モジュールは、モジュール３００の中を流れる溶液の組成を監視及び／又は調整するためのサンプルポート３１５、並びに／あるいは追加のモジュール、筐体及び／又はタンク（例えば、図１０に示すような開放供給溶液タンク）とモジュール３００を固定及び／又は整合させるための取付け手段（７２３、図１０参照）を備えることができる。

図５Ｂは、図５Ａのモジュール３００と類似のモジュール３００’を示すが、フレーム３０３’及びスペーサ３０７’は、例えば、機械加工、３Ｄ印刷、押出成形又はこれらの組合せにより、一体部品として形成されている。本明細書中に記載されているスペーサ３０７及び膜３０１のいずれかの間に、追加の層を配置することもできる。例えば、図５Ｂに示すように、モジュール３００’は、スペーサ３０７’と各膜３０１’との間に配置される保護層３１３’を備える。一部の実施形態においては、保護層３１３’はフレーム３０３内に閉じ込められて保持され、他の実施形態においては、層３１３’は膜３０１と共にフレーム３０３’に固定される。少なくとも一実施形態においては、膜３０１’及び保護層３１３’は、同時にフレーム３０３に音波溶接される。保護層についてのさらなる詳細を、図１１Ａ及び図１１Ｂに関して後述する。

一部の実施形態においては、フレーム３０３’とスペーサ３０７’との組合せは、ソフトメッシュスクリーン（すなわち、スペーサ）の周囲に溶融プラスチックを取り込むことによって（例えば、射出成形により）形成することができ、ここで硬化プラスチックはフレーム３０３’を形成することになるが、そこに膜シートを（例えば、音波溶接又はヒートシールによって）固定することができるよう十分に剛性を有することになる。この硬化プラスチックにより、追加のプレート又は膜アセンブリとの整合も可能となり、またアセンブリ全体に剛性がもたらされることになる。加えて、流路、本明細書中で他に記載されている複数のプレート、マニホールド、ポート等に取って代わることができるマニホールド及びポートを形成するためにも、必要に応じて溶融プラスチックをメッシュスクリーンに塗布し成形することもできる。

図５Ｃは、図５Ａのモジュールと類似のさらに別のモジュール３００’’を示す。しかしながら、この実施形態において、フレーム３０３’’は、例えば、溶接又は機械的手段（例えば、ガスケットの有無にかかわらず半フレーム３０３ａ、３０３ｂ間でスナップ式が可能となるファスナもしくは対応する構造）により結合している２枚の別々のフレーム３０３ａ、３０３ｂで作製されている。他のモジュール３００、３００’と同様に、膜３０１’’は、溶接又は他の手段によりフレーム３０３’’に取り付けることができ、またサンプルポート３１５’’及び／又は保護層３１３’’を備えることができる。図５Ｃに示すように、フレーム３０３’’は対称性である。

図６Ａ〜図６Ｅは、代替の膜モジュール４００の構成を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、２つの非対称性部品４０３ａ、４０３ｂでフレーム４０３が形成されている。半フレーム４０３ａは、前述のフレームと類似し、この実施形態においては固体板片で作製されている。固体フレームの１つの利点は、図６Ｆ及び図６Ｇに示すように、フレームの一部にドリルで穴を開けて、複数のポートを有するモジュールの内部空間を供給すべくポート及びマニホールドを形成することができることである。このフレームは、フレーム４０３ａよりも幅広い第２のより薄い板片４０３ｂを備えることにより、スペーサ４０７を閉じ込めて保持するためのバリアが形成される。フレーム４０３ｂは片側に示してあるだけであるが、モジュール４００は、フレーム４０３ａの反対側の面に追加のフレーム４０３ｂを備えることができる。一部の実施形態では、図５Ｂに関して前述した任意選択の保護層も備えることになる。図６Ａに示すように、半フレーム４０３ａ、４０３ｂは図５Ｃに関して前述したように結合され、やはり前述のようにフレーム４０３に膜シート４０１を取り付けることができる。加えて、いずれかの半フレーム４０３ａ、４０３ｂが、図５Ｂに関して前述したように一体スペーサを備えることもできる。

図６Ｂのモジュール４００は、図６Ａのモジュールと類似しているが、半フレーム４０３ｂが膜４０１の外側に配置され、半フレーム４０３ａ、４０３ｂを結合させた後に、フレーム４０３を膜４０１に固定する働きをする。例えば、２つの半フレーム４０３ａ、４０３ｂ及び膜をすべて、膜を半フレーム間で保護して一緒に溶接することもできる。この実施形態においては、モジュール４００の少なくとも一表面上の膜４０１が、フレーム４０３によって捕獲されている。あるいは、モジュール４００の各表面で膜４０１が捕獲されるように、フレーム４０３が３つの部品を備えることもできる。追加の実施形態においては、半フレーム４０３ｂは、少なくともその外面に、複数のモジュール４００を互い又は筐体のいずれかに整合させる、又はそうでなければ固定するために使用することができる構造を備えることができる。

図６Ｅのモジュール４００は図６Ｂのモジュールと類似しているが、半フレーム４０３ｂが、膜４０１及び保護層４１３をより一層収容及び固定するように陥凹部４１７を備える。図示しないが、モジュール４００は、フレーム４０３ａの反対側の面に同じ構造を備えることができる。

図６Ｃ及び図６Ｄは、膜シート４０１及び保護層４１３が平面配置で、共にフレーム４０３に取り付けられているモジュール４００を示す。図６Ｃにおいて、フレーム４０３はその外面に、保護層４１３及び／又は任意の追加の層／スペーサを収容するために陥凹４１７を有する。やはり、モジュール４００は、フレーム４０３の反対側の面に同じ構造を備えることができる。

図６Ｆは、フレーム４０３の一部（例えば、トップヘッダ）の拡大断面図であるが、これは本明細書中に記載されているフレームのいずれかであり得る。フレームヘッダ４０３−１を通して通路４４１をドリルで開け、その一端をねじ切ってポート４０５の少なくとも１つを形成することができる。主通路４４１と交差する追加の通路４４３をドリルで開けることができ、通路／ポートとモジュールの内部との間に流体連通が提供される。図６Ｇは、代替のヘッダ４０３−１を示し、ここでは各端からドリルで開けた２つの通路４４１ａ、４４１ｂがあるが、交差していない。各通路４４１ａ、４４１ｂをモジュール内部の一部に接続する一連の追加の通路４４３ａ、４４３ｂもある。この構成を利用して、図７に示すような、モジュール配置用の入口及び出口を提供することができる。

図７は、ポート５０５ａ、５０５ｂがフレーム５０３の同じ側／表面に位置する代替の膜モジュール５００を示す。この場合、ポート５０５ａ、５０５ｂはフレーム５０３のトップヘッダに位置するが、これらのポートは、特定の用途に対応するために任意の表面に、例えば、代替として示すようにトップヘッダ近くの側面に位置することができる。加えて、モジュール５００は、モジュール５００を通る溶液の流れを制御するための膜５０１に沿って垂直に伸びるのり線又は継ぎ目５１９（又は他の構造）を少なくとも１つ備える。この場合、継ぎ目は、膜５０１上中央に位置する。（１つ以上の）継ぎ目５１９の数、位置及び向き並びにポート５０５ａ、５０５ｂの数及び位置は、特定の用途に合うよう調整することになる。例えば、ポート５０５ａ、５０５ｂが中央付近でフレームの側面に位置する場合には、継ぎ目５１９は水平方向に向くことができる。また、追加の継ぎ目５１９を使用して、モジュール５００内の溶液の滞留時間を延長することもできる。

図８及び図８Ａは、複数のフレーム６０３及び単一の連続膜シート６０１を使用する別の代替のモジュール６００を示す。フレーム６０３は前述のフレームのいずれかと類似とすることができ、そこにやはり前述のいずれかのようにして膜シート６０１を取り付けることができる。一般に、また図８Ａに最善を示すように、フレーム６０３に膜シート６０１を蛇行させて「巻く」ことにより、供給路６１９と、透過路又は引出路６２１とが形成される。加えて、モジュール６００は、特定の用途に合うように、スペーサ及び保護層を任意の数及び組合せで備えることができる。図８に示すように、モジュール６００は、複数の経路に対応することができる複数のポート６０５を備えることができる。例えば、供給タンク内に配置されている開放モジュールの場合、ポートは、透過路への入口及び出口とすることができる。代替の実施形態において、モジュール６００は、少なくとも部分的には筐体内に封入され、供給路及び透過路の両方に対応するポートを備える。様々な実施形態において、１つ以上のモジュールに取り付けられている、又はフレームの一部として形成されているマニホールド内に複数のポートを配置することができる。

一般に、経路幅は、特定の用途、例えば、流量要件、スペーサの寸法等に合うように選択するが、典型的にはフレームの寸法によって決まることになる。１つ以上の実施形態において、引出路は厚さ約０．０１０〜約０．５０インチ、好ましくは厚さ約０．０１８〜約０．０６０インチである。一実施形態においては、厚さ０．０３４のスペーサが収容されるようフレームは厚さ約０．０３４インチである。供給路は同じような寸法（典型的にはより大きいが）を有していてもよく、供給溶液の流れが生じる余地を与えるように、また溶液から沈殿することがある物質が生じる余地を場合によっては与えるように全体的に大きさが決まる。例えば、タンク内に配置されている複数の単一モジュールの場合、供給路間隔は、タンク内のモジュールの配置によって決まることに、また引出路間隔（すなわち、モジュール内部空間）は、スペーサ及び任意の必要な保護層によって決まることになる。

図９は、さらに別の代替の膜モジュール７００を示す。全体的に、モジュール７００は、前述したモジュールと類似の構成とすることができる。図９に示すように、このモジュールは保護スクリーン７０２を備える。スクリーン７０２は、フレーム７０３の２つの外面上に位置することができるメッシュシート又はより剛性タイプの格子でよい。複数の膜モジュール７００のスタックの場合、スクリーン７０２は、スタックの露出した外面のみに位置することができる。一般に、膜の片側に反対側に対比してより高い圧力がかかる場合に「破裂（blown-out）」から膜を保護するために、スクリーンを使用することができる。例えば、開放タンク（図１０参照）内に配置されている（１つ以上）のモジュールの場合、タンク内の溶液は大気圧下、モジュールに導入される溶液は加圧下、通常低圧下であるが、開放タンクの圧力よりも高く、それにより膜が外側に出っ張る傾向がある。追加の実施形態においては、損傷から、例えば、鋭い構造又は大粒子との接触から膜の外表面を保護するために、スクリーンを使用することができる。

モジュール７００は、タンク又は他のモジュールにモジュールを取り付ける、又はそうでなければ固定するための手段７２３も備えることができる。一実施形態においては、この取付け用手段７２３は、フレームから伸びる、またタンク上の類似の構造に対応するレセプタクル及び／又は隆起を備えるアームである。一実施形態においては、取付け手段７２３は、タンク側壁にはめ込むための単純なフックである。取付け手段７２３は、フレーム７０３の一部として構成することも、又はフレームに取り付けることができる任意選択の部品とすることもできる。１つ以上の実施形態において、取付け手段７２３は、タンクにモジュールを、もしくはモジュール同士を、又は場合によってはフレーム／モジュールに取付け手段７２３を固定する手助けをする機械的ファスナやクランプ等のハードウエア７２５を備えることができる。加えて、又はあるいは、タンクは、特定の向きにタンク内の膜モジュールを維持するための構造（例えば、バッフルもしくは他の隆起）を備える、又はそこにモジュールを固定することができる。

図１０は、本明細書中に記載されているモジュールのいずれも使用することができるモジュール及びタンクの配置を示す。図示の通り、タンク７２７は、そこから溶媒を抽出しようとする供給溶液７２９、例えば、海水、汽水等が入っている開放供給タンクである。タンク７２７は、その中に少なくとも一部が沈んでいる１つ以上の正浸透膜モジュール７００を備える。タンク７２７はまた、その中で供給溶液を循環させるためのポート７３０、７３２も備えることができる。供給液よりも浸透圧が大きい駆動液を、（１つ以上の）モジュールにポンプで送り出して、供給液から膜を通して駆動液へと溶媒を引き出し、それにより同駆動液が希釈される。一般にタンクは、流量、フラックス／膜面積、環境等、特定のシステム要件に合うよう大きさが決められ、設計される。場合によっては、供給液内の汚染物質又は他の物質が沈降する７３９ための空間がモジュールの下に存在するようにタンクの大きさを決めることができる。この開放タンク及びモジュール設計により、システムの容易な保守が可能となる。例えば、保守又は交換のためにタンクから個々のモジュールを取り外すことができるが、一方で残りのモジュールを作動させ続けることができる。一部の実施形態においては、モジュールポートが別々に配管されるが、一部の実施形態においては、ポートは共通のマニホールド配置と流体連通することができる。

代替の実施形態においては、タンクは閉じた設計で、これによりタンク内溶液（例えば、供給液）の加圧が可能となる。これで、膜を通るフラックスを増大させることによって全プロセスの手助けをすることができ、また膜モジュール内の溶液（例えば、駆動液）の圧力の下で出っ張っている膜に関する問題を軽減又は排除することができる。あるいは又は加えて、真空下で膜モジュールを通して（駆動）液を「引く」ことができる。

図１１Ａは、前述の膜モジュールの１つを形成することができる、又は図１１Ｂに示すように渦巻き状で使用することができる層の配置の部分分解断面図である。図１１Ａに示すように、この配置は、膜シート８５１と、膜シート８５１の片側に隣接して配置されている（場合によっては、膜シート８５１の折り目の中に配置されている）供給スクリーン８５３と、膜シート８５１の反対側に配置されている（又は折り畳み膜シート８５１の辺りで折り畳まれている）透過キャリア８５５（又は引出スクリーン）とで始まる。渦巻き状膜モジュールで使用する場合には典型的な配置であるように、折り畳まれている単一のシートとして膜８５１は示してあるが、プレート及びフレーム形式の配置で使用する場合には単一のシートを層状にすることが可能である。

膜８５１は、通常膜バリア層に相当する供給側と、通常膜支持層に相当する透過側とを有する。通常、正浸透用途では、供給側が引出側よりも高圧で、それにより膜が供給から遠ざかり、引出スクリーンに接触する傾向がある。（ＰＲＯ用途では、その場合膜のバリア層側であるはずの引出側が、より高圧となるはずである）。非常に薄い膜、特に、本譲受人が共同所有する米国特許第８，１８１，７９４号に従って作製される膜等、非常に薄い支持層を有する膜の場合、特に渦巻き状では、引出スクリーンの表面上の頂点が支持層及びバリア層に突き刺さり、膜に損傷を与えることがある。一般に、供給及び引出スクリーン８５３、８５５は、膜の層間の間隔を維持する必要があるため、比較的多孔質で、弾性がある。そうして、引出スクリーンを取り換える又は取り除くことが可能ではなく、引出スクリーン８５５と膜シート８５１との間に追加の保護層８５７が必要である。しかしながら、保護層８５７は、脆弱な膜８５１を保護することと、フラックス又は駆動液の流れを妨げないこととのバランスを取らなければならない。

１つ以上の実施形態において、保護層は、厚さが約１．５ミル〜約２０ミル、好ましくは約５ミル〜約１５ミル、より好ましくは約７ミル〜約１０ミルである不織布層である。この層は通常ＰＥＴ製であるが、様々な溶液と相溶性のある他のポリマーが本発明の範囲内で検討され、考慮される。加えて、保護層８５７の基本重量は約５０〜１００ｇ／ｍ^２、好ましくは約６０〜８０ｇ／ｍ^２、より好ましくは約７０〜７５ｇ／ｍ^２、フラジール通気度は約１００〜１０００ｃｆｍ／ｆｔ^２、好ましくは２００〜５００ｃｆｍ／ｆｔ^２、より好ましくは３約５０〜４００ｃｆｍ／ｆｔ^２となる。１つ以上の実施形態において、引出スクリーンの厚さは約１０ミル〜約６０ミル、好ましくは約２０ミル〜約４０ミル、より好ましくは３４ミル（すなわち、０．０３４インチ）、ストランド配向角約９０度でストランド間隔は１インチ当たり約８〜２４ストランド（ＳＰＩ）、好ましくは１２〜２０ＳＰＩ、より好ましくは１８ＳＰＩである。１つ以上の実施形態において、供給スクリーンの厚さは約約１０ミル〜約６０ミル、好ましくは約２０ミル〜約４０ミル、より好ましくは２０ミル（すなわち、０．０２０インチ）、ストランド配向角約９０度でストランド間隔は約８〜２４ＳＰＩ、好ましくは１２〜２０ＳＰＩ、より好ましくは１６ＳＰＩである。スクリーン８５３、８５５は通常ポリプロピレン製であるが、他の相溶性ポリマーも可能である。

図１１Ｂは、膜アセンブリ８５０（膜及び様々な他の層）をどのように可能な一渦巻き状に配向させるかを示す。通常、図のように様々な層が交互になっている膜アセンブリ８５０の長さの分、連続して中心筒８５９に膜アセンブリを巻く。図１１Ｂに示すように、中心筒８５９から外へ引出スクリーン層８５５、保護層８５７、膜層８５１、供給スクリーン層８５３、別の膜層８５１、別の保護層８５７、別の引出スクリーン層８５５等がある。

モジュールの様々な構成要素を、例えば、ポリマー、ポリマーブレンド及びブロック共重合体を含めた様々な材料から製造することができ、また、例えば、成形、押出し、スタンピング又は他の公知の製造技法によって製造することができる。これら様々な膜シートは、米国特許出願公開第２００７／０１６３９５１号、第２０１１／００３６７７４号、第２０１１／００７３５４０号及び第２０１２／００７３７９５号に開示されている材料等、任意の適切な材料から製造することができ、その米国特許出願公開の開示は参照によりその全体が本明細書中に援用される。使用する特定の材料は、特定の用途に合うよう選択され、様々なプロセス条件、例えば、高温、流体適合性に対する条件に耐えることが可能となるべきである。

膜モジュール及び膜の外見寸法及び数は、特定の全膜表面積を提供することに焦点を合わせて、特定の用途に合うように選択することになる。加えて、膜パラメータも、特定のフラックス速度を得ることに焦点を合わせて、特定の用途に合うよう選択することになる。ここで、フラックス（ＪＷ）＝Ａ（Δπ−ΔＰ）、Ａ＝比透過率（ｍ／ｓ／ａｔｍ）、Δπ＝膜選択層の表面における浸透圧差、ΔＰ＝膜の圧力である。フラックス速度もまた、滞留時間を最大にするが濃度分極（ＣＰ）を最小限に抑えるように選択することになる、駆動液及び供給液の流量の影響を受けることになる。一例では、それぞれ活性膜面積が約１’×３’（３ｆｔ^２）である膜モジュールを５０個有するアセンブリにより、結果的に近似の全有効膜表面積が１５０ｆｔ^２となる。例えば、浸透圧駆動フラックス用に設計された薄膜複合ポリアミド膜と共に使用した場合、平均フラックスが１日当たり１ｆｔ^２当たり約１０ガロン（ＧＦＤ）である海水淡水化環境において使用するこの型のアセンブリからは、１日当たり約１５００ガロンのフラックスが期待される。

適切な膜の一例が、援用される米国特許第８，１８１，７９４号に開示されている。その米国特許に開示されている膜は、例えば、ポリエーテルスルホン支持構造を使用することによって、さらに強化することができ、支持構造により、ＦＯ又はＲＯ用途において異なる細孔構造を生成し、またフラックス／排除特性の向上をもたらすことができる。加えて、膜層のうちの１つ、例えば、バリア層上の電荷を変化させることができ、これにより膜の性能を向上させることもできる。また、ナノ粒子又は抗菌性物質の取込みによって、膜の様々な層を改質することができる。例えば、バリア層に層状複水酸化物（ＬＤＨ）ナノ粒子を取り込んで、膜のフラックス／排除特性を向上させることができる。これら様々な改質により、膜の逆の塩フラックス性能を向上させることもできる。加えて、中空繊維型膜にも、これら様々な改善は適用可能である。

１つ以上の実施形態において、膜は、Ｍｇ_ｎＡｌ_ｎ−１（ＯＨ）_２の形でＬＤＨを含む。Ａｌに対するＭｇの比率は約１：１〜約１０：１でよく、好ましくは約２：１〜約５：１でよく、より好ましくは３：１でよいが、この具体的な比率は、特定の用途に合うよう選択することになる。一部の実施形態においては、ナノ粒子が有機金属化合物である。この特定の組成物が図１２に示してあるが、この組成物により、陰イオン粘土層を有する（陽イオン性粘土も可能であるが）膜が生み出される。特定の一実施形態においては、ナノ粒子の一般式は［Ｍｇ_{（１−ｘ）} Ａｌ_ｘ（ＯＨ）_２］ｑ［Ａｎ−ｑ／ｎ＊ｍＨ_２Ｏ］として、式中Ａは陰イオンで、有機性とすることも無機性とすることも共に可能である。この層により、膜支持層と溶質を優先的に排除することができる膜バリア層との間の接合部に近接して電荷を生成することができ、その結果特定の溶質の逆フラックスが低減又は排除される。さらに、これらナノ粒子を添加することにより、膜の全体的な性能特性を向上させることもできる。本発明のナノ粒子を含む膜の例示的試験結果については表１を参照されたい。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、本発明のナノ粒子組成物を有する場合及び有していない場合の膜のＳＥＭ像である。

図１４は、本発明に従って製造した膜９００の一実施形態の拡大した断面部を示す。具体的には、支持層９０２及びバリア層９０４が示してある。１つ以上の実施形態において、バリア層９０４は、ポリアミドと、バリア層内に全体的に均等に分散しているＬＤＨナノ粒子９０６とを最終的に含むことになる。以下で論じるように、バリア層内のナノ粒子の分散を制御する手助けをするために使用することができる様々な手段がある。膜の性能を制御する助けとなるよう、ナノ粒子の特定の分散パターンを使用することができる。

図１４Ｂは、図１４Ａの膜の別の例を示すが、ナノ粒子の導入及び膜９００の機能によって加わった又は修飾された電荷に焦点を合わせている。図のように、バリア層９０４内のナノ粒子９０６により、バリア層９０４と支持層９０２との接合点に近接して電荷９１０が生じる。

通常、膜９００の片側に供給液９１１が、反対側には駆動液９１２がある。溶媒（例えば、水）がバリア層を通って流動し、駆動液９１２を希釈することになる。供給液９１１内の溶質９０８が、全体的にバリア層によって排除される。一般に、先行技術のシステムでは、駆動液からの溶質が、膜を通って供給液に入るフラックスを反転させようと試みることになる。バリア層９０４と支持層９０２との間の接合点に追加の電荷があると、駆動液９１２内の溶質９１４の一部が、ナノ粒子によって提供される電荷によって反発／排除されることになる。図示の実施形態においては、ナノ粒子により負電荷が提供されるが、他の溶質９１４を優先的に排除するよう正電荷を提供するために、他のナノ粒子組成物を使用することができる。加えて、一部の支持層材料を、その中で電荷を提供するために選択することもでき、この電荷は、ナノ粒子の電荷と共に蓄積して、特に強い排除力を提供することができる。例えば、より親水性であるポリエーテルスルホンが、より大きな負電荷を与えることができ、この負電荷がナノ粒子の電荷に加わって、それにより電気二重層が生じることになる。一般に、膜材料、引出溶質及び膜電荷は、特定の用途に合うよう選択することができる。

図１５は、本発明に従って膜を製造するための可能な一プロセス１０００の一部を示す。図１５に示すように、支持材料シート１００２（典型的には、薄い支持層をその上にキャストさせた基板）を、第１のモノマーを有する溶液中の溶媒（例えば、ｍＤＰ）と、少なくともナノ粒子９０６とが入っている第１の槽１００４に（典型的にはロールにより）送り込む。プロセスを強化するために、又はそうでなければプロセスに影響を与えるために、槽１００４に他の成分が含まれていてもよい。一般に、溶媒は、支持層内に少なくとも部分的に吸収され、支持層の上にナノ粒子が堆積される。この槽は、溶液内の、また最終的なバリア層におけるナノ粒子の分散を強化又は制御するための手段１００６を備えることができる。この手段１００６には、超音波（又はナノ粒子に起振力を付与するための他の機構）、熱、電気信号、電磁エネルギー（紫外線、音波又は電波を含む）の使用、溶液への界面活性剤又は触媒の導入を含めることができる。一般に、ナノ粒子の大きさ及び形状は、特定の用途に合うように制御することができ、例示的な実施形態においては、約１００〜約２５０ｎｍである。理想的には、ナノ粒子は「フレーク」として形成され、これらフレークにより、バリア層内のナノ粒子の配列（例えば、通常図１４Ａ及び図１４Ｂに示すような平行配列）を強化することができる。加えて、ダイポール構造を有するナノ粒子を形成することもでき、このダイポール構造はさらに、バリア層内のナノ粒子の分散／配列の手助けをすることができる（例えば、第１の槽及び／又は支持層への電気信号の導入によって。一般に、ナノ粒子が層の上部又は底部で層状になることを防止することが望ましい。

支持層１００２はその後、ヘキサン又はＩｓｏｐａｒ Ｇを有する溶液中にＴＭＣを有する第２の槽１００８に送り込まれるが、他の溶媒が本発明の範囲内で検討され、考慮される。第２の槽のモノマーと共に第１の槽からモノマーを導入すると、ナノ粒子が少なくとも部分的にその中に分散し、適当な位置で固定されているポリマーバリア層（例えば、ポリアミド）が生み出される。膜（支持層及びバリア層）をその後、追加の従来のプロセス（例えば、洗浄、急冷等）に向かわせて、膜製造プロセスを完了させることができる。

本発明の一部の例証実施形態をここまで説明してきたが、上記は単に例証に過ぎず、非限定的で、ほんの一例として提示されたことが当業者には明らかとなるはずである。数多くの変形形態及び他の実施形態が当業者の範囲内で、本発明の範囲内にあると企図される。特に、本明細書中に提示されている例の多くには、方法行為又はシステム要素の特定の組合せが含まれるが、同じ目的を達成するために、他のやり方でそれら行為及びそれら要素を組み合わせることができることを理解されたい。

さらに、本発明は本明細書中に記載されている各特徴、システム、サブシステム又は技法を対象とし、本明細書中に記載されている２つ以上の特徴、システム、サブシステム又は技法の任意の組合せ、並びに２つ以上の特徴、システム、サブシステム及び／又は方法の任意の組合せが、このような特徴、システム、サブシステム及び技法が互いに矛盾していない場合には、特許請求の範囲いずれかに具体化されているように本発明の範囲内にあるとされることも認識されたい。さらには、一実施形態に関連してのみ論じられている行為、要素及び特徴が、他の実施形態おける類似の役割から除外されるものではない。

さらに、本明細書中に記載されているパラメータ及び構成が例示的であることを、また実際のパラメータ及び／又は構成は、本発明のシステム及び技法が使用される特定の用途次第であることを当業者には認識されたい。当業者にはまた、日常の実験、本発明の特定の実施形態の均等物しか使用しないことを認識されたい、又は確認可能なはずである。したがって、本明細書中に記載されている実施形態はほんの一例として提示されているに過ぎず、本発明は、具体的に記載されている以外のやり方で実施することができることが理解されよう。

１０ 膜モジュール
１２ 膜プレート
１４ 膜プレート
１５ 本体
１６ 筐体
１７ バルクヘッド
２２ａ 入口
２２ｂ 出口
２３ａ 入口
２３ｂ 出口

Claims (20)

1. 少なくとも支持層及びその上に配置されるバリア層を備える膜シートであって、正浸透原理により溶媒を通過させるために構成されている膜シートと、
   前記膜シートの前記バリア層に隣接して配置されている第１のメッシュスクリーンと、
   前記膜シートの前記支持層に近接して配置されている第２のメッシュスクリーンと、
   前記第２のメッシュスクリーンと前記膜シートの前記支持層との間に配置され、それにより前記第２のメッシュスクリーンと前記膜シートの前記支持層との間の接触が軽減又は排除される保護層と
   を備える、正浸透膜モジュール。
2. 前記保護層が、厚さが約１．５ミル〜約２０ミルの不織布層を備える、請求項１に記載の膜モジュール。
3. 前記保護層がポリエチレンテレフタレートを含む、請求項１に記載の膜モジュール。
4. 前記保護層の基本重量が約５０〜約１００ｇ／ｍ^２である、請求項１に記載の膜モジュール。
5. 前記保護層のフラジール通気度が約１００〜約１０００ｃｆｍ／ｆｔ^２である、請求項１に記載の膜モジュール。
6. 前記第１のメッシュスクリーンの厚さが約０．０２０インチであり、ストランド間隔が１インチ当たり１６ストランドであり、ストランド配向が９０度である、請求項１に記載の膜モジュール。
7. 前記第２のメッシュスクリーンの厚さが約０．０３４インチであり、ストランド間隔が１インチ当たり１８ストランドであり、ストランド配向が９０度である、請求項１に記載の膜モジュール。
8. 前記第１のメッシュスクリーン、前記第２のメッシュスクリーン、又は前記保護層の少なくとも１つが、接着剤を介して前記膜シートに固定されている、請求項１に記載の膜モジュール。
9. 少なくとも支持層及びその上に配置されるバリア層を備える膜シートであって、正浸透原理により溶媒を通過させるために構成されている膜シートと、
   前記膜シートの前記バリア層に隣接して配置されている第１のメッシュスクリーンと、
   前記膜シートの前記支持層に近接して配置されている第２のメッシュスクリーンと、
   前記第２のメッシュスクリーンと前記膜シートの前記支持層との間に配置されており、それにより前記第２のメッシュスクリーンと前記膜シートの前記支持層との間の接触が軽減又は排除される保護層と
   を備える正浸透膜モジュールと、
   前記正浸透膜モジュールを少なくとも部分的に封入し、流体浸入及び流体放出のための手段を備える筐体と
   を備える、膜アセンブリ。
10. 流体浸入のための前記手段が、前記膜モジュールの片側に供給液を導入するための第１の入口と、前記膜モジュールの反対側に駆動液を導入するための第２の入口とを備える、請求項９に記載の膜アセンブリ。
11. 流体放出のための前記手段が、前記膜モジュールの片側から濃縮供給液を放出するための第１の出口と、前記膜モジュールの反対側から希釈駆動液を放出するための第２の出口とを備える、請求項９に記載の膜アセンブリ。
12. 前記筐体が圧力容器を備え、前記膜モジュールが、渦巻き状膜アセンブリを形成するよう中心筒に巻かれている、請求項９に記載の膜アセンブリ。
13. 実質的平面基板と、
    前記実質的平面基板上に配置されている高分子支持層と、
    前記高分子支持層上に配置される高分子バリア層であって、バリア層内に実質的に均等に分散している複数の層状複水酸化物ナノ粒子を含むバリア層と
    を備える、排除特性が向上した正浸透膜。
14. 前記層状複水酸化物ナノ粒子が、Ｍｇ／Ａｌ−ＬＤＨのフレークを備える、請求項１３に記載の膜。
15. 前記ナノ粒子フレークが縦軸を備え、前記縦軸は、前記バリア層に対して水平に配向している、請求項１４に記載の膜。
16. 前記層状複水酸化物ナノ粒子が、約１：１〜約１０：１の比率でマグネシウム及びアルミニウムを含む、請求項１３に記載の膜。
17. 正浸透膜を製造する方法であって、
    実質的平面基板を設けるステップと、
    前記実質的平面基板上に高分子支持層をキャストするステップと、
    前記高分子支持層上に高分子バリア層をキャストするステップであって、前記バリア層は、前記バリア層内に実質的に均等に分散している複数の層状複水酸化物ナノ粒子を含む、キャストするステップと
    を含む、方法。
18. 前記バリア層をキャストするステップが、
    第１のモノマーを含む溶媒槽へと前記層状複水酸化物ナノ粒子を導入するステップと、
    前記溶媒槽に、前記実質的平面基板及び支持層を導入するステップと、
    前記実質的平面基板及び支持層を、前記層状複水酸化物ナノ粒子を分散させるための手段にさらすステップと、
    第２のモノマーを備える第２の槽に、前記実質的平面基板及び支持層を導入するステップと、
    前記モノマーを反応させて、前記バリア層を形成し、前記バリア層内の適切な位置に前記ナノ粒子を設置するステップと
    を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記分散手段は、超音波に前記溶媒槽をさらすことを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記分散手段は、前記溶媒槽を電磁エネルギーにさらすことを含む、請求項１８に記載の方法。
    

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