JP2017209603A - スパイラル型膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器の一方の端部において原液の供給と濃縮液の排出を行うことができるため、縦方向に設置するのに適したスパイラル型膜モジュールを提供する。
【解決手段】有孔の中心管５と、膜部材が中心管５に巻きつけられた巻回体Ｒと、その外周に設けられた外装材１３と、を備える膜エレメント１と、膜エレメント１を収容し、軸心方向の一方の端部に原液７の供給部２２ａ及び濃縮液９の排出部２２ｂを有し、軸心方向の何れかの端部に透過液８の排出部２３ａを有する圧力容器２０と、その一方の端部と膜エレメント１の間に配置され、原液７と濃縮液９の混合を防止しつつ、原液７の供給部２２ａを膜エレメント１の外装材１３の外側又は内側に連通させ、濃縮液９の排出部２２ｂを膜エレメント１の外装材１３の内側又は外側に連通させる隔壁３１〜３３を有する導液部材３０と、を備えるスパイラル型膜モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力容器内にスパイラル型膜エレメントを収容したスパイラル型膜モジュールに関する。

従来のスパイラル型膜エレメント（以下、単に「膜エレメント」ともいう）の構造としては、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数または複数が、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、有孔の中心管に巻きつけられた巻回体を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図９は、従来の膜エレメントの一部切欠き斜視図である。この図に示す膜エレメント１は、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３を含む膜部材が、中心管５の回りに巻きつけられた構造を有する。より具体的には、透過側流路材３の両面に分離膜２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）を形成し、その封筒状膜の開口部を中心管５に取り付け、ネット状（網状）の供給側流路材６とともに中心管５の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。この巻回体Ｒの上流側には、シールキャリア等の上流側端部材１０が設けられ、下流側にはテレスコープ防止材等の下流側端部材１２が設けられる。

上記膜エレメント１を使用する際は、原液７は膜エレメント１の一方の端面側から供給される。供給された原液７は、供給側流路材６に沿って中心管５の軸芯方向に平行な方向に流れ、膜エレメント１の他方の端面側から濃縮液９として排出される。また、原液７が供給側流路材６に沿って流れる過程で分離膜２を透過した透過液８は、図中破線矢印に示すように透過側流路材３に沿って開口５ａから中心管５の内部に流れ込み、この中心管５の端部から排出される。

このような膜エレメント１を圧力容器内に収容した、従来のスパイラル型膜モジュールでは、圧力容器の一方の端部に原液の供給部を有し、他方の端部に濃縮液の排出部と透過液の排出部を有し、上流側端部材１０の外周に設けたシール材によって、原液が膜エレメント１の内部を流動する構造となっている。

また、特許文献２には、圧力容器内に収容した膜エレメントから排出された濃縮液を、膜エレメントの外側において逆方向に流動させて、圧力容器の外筒における原液の供給部に近い位置に設けた排出部から排出させるスパイラル型膜モジュールが提案されている。

特開平１０−１３７５５８号公報 特開２００４−２７５８１７号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたスパイラル型膜モジュールは、その軸心方向が水平になるように設置することを想定している。このため、スパイラル型膜モジュールの軸心方向が垂直になるように設置する場合、外筒に設けた原液の供給部に配管を接続する必要があるため、省スペース化が図りにくく、配管自体も複雑になるという問題がある。このため、特許文献２に記載されたスパイラル型膜モジュールでは、縦方向（垂直）に設置するのに適した構造とは言えなかった。

そこで、本発明の目的は、圧力容器の一方の端部において原液の供給と濃縮液の排出を行うことができるため、縦方向に設置するのに適したスパイラル型膜モジュールを提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明のスパイラル型膜エレメントは、
有孔の中心管と、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材を含む膜部材が前記中心管に巻きつけられた巻回体と、その巻回体の外周に設けられた外装材と、を含む膜エレメントと、
前記膜エレメントを収容し、軸心方向の一方の端部に原液の供給部及び濃縮液の排出部を有し、軸心方向の何れかの端部に透過液の排出部を有する圧力容器と、
前記圧力容器の前記一方の端部と前記膜エレメントの間に配置され、原液と濃縮液の混合を防止しつつ、前記原液の供給部を前記膜エレメントの外装材の外側又は内側に連通させ、前記濃縮液の排出部を前記膜エレメントの外装材の内側又は外側に連通させる隔壁を有する導液部材と、を備えることを特徴とする。

本発明のスパイラル型膜モジュールによると、導液部材が圧力容器の一方の端部と膜エレメントの間に配置されており、この導液部材が前記原液の供給部を前記膜エレメントの外装材の外側又は内側に連通させ、前記濃縮液の排出部を前記膜エレメントの外装材の内側又は外側に連通させる隔壁を有するため、圧力容器の一方の端部において原液の供給と濃縮液の排出を行うことができる。つまり、導液部材の隔壁により、膜エレメントの外装材の外側又は内側に導かれた原液は、圧力容器の他方の端部まで流動した後、膜エレメントの外装材の内側に流入し又は外装材の外側に流出し、導液部材の隔壁により、濃縮液の排出部に導かれる。

また、この隔壁により、原液と濃縮液の混合を防止できるため、特に複雑な配管構造を採用することなく、膜エレメントを収容する圧力容器の一方の端部に、原液の供給部及び濃縮液の排出部を有する構造とすることができる。このような構造により、スパイラル型膜モジュールを縦方向に設置する場合に、設置スペースの省スペース化が図れ、配管への接続が容易になり、配管経路も簡易化することができるので、縦方向に設置するのに適したスパイラル型膜モジュールを提供することができる。

上記において、前記導液部材の隔壁は、前記原液の供給部から流入する原液を前記外装材の外側に導き、前記膜エレメントから流出する濃縮液を前記濃縮液の排出部に導くものであることが好ましい。このような構成では、外装材の外側に導かれた原液は、圧力容器の他方の端部まで流動した後、膜エレメントの外装材の内側に流入し、外装材の内側を流動するため、膜エレメントの外径が縮小する方向に圧力差が生じる。このため、外装材の外側の方がより高い圧力になるため、テープ等による簡易な手段で膜エレメントと導液部材との間のシールを行うことができるようになる。

また、前記圧力容器は、その軸心方向が上下に配置されていることが好ましい。このようにスパイラル型膜モジュールを縦方向に設置することで、設置スペースの省スペース化が図れ、配管への接続が容易になり、配管経路も簡易化することができるようになる。

また、前記導液部材は、前記外装材の端辺に隣接して設けられる円筒状隔壁と、前記円筒状隔壁の内周側に設けられた円板状隔壁と、前記円板状隔壁に設けた開口を前記濃縮液の排出部と連通させる環状隔壁と、を有することが好ましい。これらの隔壁を有することで、簡易な構造によって、圧力容器の一方の端部と膜エレメントの間に配置するだけで、原液と濃縮液の混合を防止しつつ、原液の供給部を膜エレメントの外装材の外側又は内側に連通させ、濃縮液の排出部を膜エレメントの外装材の内側又は外側に連通させることができる。

特に、前記導液部材は、更に、前記円板状隔壁の中央に設けられて前記中心管が挿入される環状支持部と、前記円板状隔壁又は前記円筒状隔壁から前記圧力容器の端部の内壁に伸びる脚部と、を有することが好ましい。このような環状支持部と脚部によって、スパイラル型膜モジュールを縦方向に設置する場合に、膜エレメントの荷重を支えることができ、中心管を支持しつつ、原液と濃縮液の流路を確保できる。

本発明のスパイラル型膜モジュールの一例を示す縦断面図 本発明のスパイラル型膜モジュールの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図 本発明のスパイラル型膜モジュールの導液部材の一例を示す斜視図 本発明のスパイラル型膜モジュールの他の例を示す縦断面図 本発明のスパイラル型膜モジュールの他の例を示す縦断面図 本発明のスパイラル型膜モジュールの導液部材の他の例を示す斜視図 本発明のスパイラル型膜モジュールの他の例を示す縦断面図 本発明のスパイラル型膜モジュールの導液部材の他の例を示す組立斜視図 従来のスパイラル型膜エレメントの一例を示す斜視図

本発明のスパイラル型膜モジュールは、図１に示すように、膜エレメント１と、圧力容器２０と、導液部材３０と、を備えるものである。以下、順に説明する。

（膜エレメント）

膜エレメント１としては、図９に示すような、従来と同じスパイラル型膜エレメントを使用することができるが、シールキャリア等の機能を有する上流側端部材１０と、テレスコープ防止材等の機能を有する下流側端部材１２は、省略することも可能である。このため、図９を参考にして、説明する。

図９に示すように、膜エレメント１は、外周に孔を有する有孔の中心管５と、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３の単数又は複数を含む膜部材が、中心管５に巻きつけられた巻回体Ｒと、その巻回体Ｒの外周に設けられた外装材１３と、を備える。本実施形態では、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３を含む複数の膜部材が、中心管５の回りに巻きつけられている例を示すが、単数の分離膜ユニットが中心管に巻回されていてもよい。

膜エレメント１は、通常、供給側流路と透過側流路との混合を防止するための封止部を備えている。例えば、透過側流路材３の両面に分離膜２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）を形成する場合、外周側端辺の封止部１１と上流側端辺及び下流側端辺とに封止部が形成される。また、上流側端辺及び下流側端辺の内周側端部と中心管５との間にも封止部を設けるのが好ましい。

封筒状膜は、その開口部を中心管５に取り付け、ネット状（網状）の供給側流路材６とともに中心管５の外周面にスパイラル状に巻回することにより、巻回体Ｒが形成される。この巻回体Ｒの上流側には、シールキャリア等の上流側端部材１０が設けられ、下流側には、必要に応じてテレスコープ防止材等の下流側端部材１２が設けられていてもよい。

上記膜エレメント１を使用する際は、原液７は膜エレメント１の一方の端面側から供給される。供給された原液７は、供給側流路材６に沿って中心管５の軸芯方向に平行な方向に流れ、膜エレメント１の他方の端面側から濃縮液９として排出される。また、原液７が供給側流路材６に沿って流れる過程で分離膜２を透過した透過液８は、図中破線矢印に示すように透過側流路材３に沿って開孔５ａから中心管５の内部に流れ込み、この中心管５の端部から排出される。

分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３、中心管１２としては、従来と同様のものが使用できる。

例えば、供給側流路材６としては、任意の材質を用いたネット状シート、メッシュ状シートなどを使用することが可能であるが、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンが好ましく使用される。透過側流路材３には、任意の材質を用いたネット状シート、メッシュ状シート、溝付シート、波形シート等が使用できる。分離膜２には、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜等が使用できる。

外装材１３としては、従来の膜エレメント１と同様に、樹脂シート、樹脂テープ、繊維補強樹脂、これらの複合構造が使用できる。但し、本発明のスパイラル型膜モジュールでは、外側に圧力容器を備えており、ハンドリング時のダメージの恐れがないため、従来の膜エレメント１に比べて耐圧性の小さい外装材１３を採用することができる。このような外装材１３としては、樹脂テープ、樹脂フィルム熱収縮チューブが好ましい。

（圧力容器）
圧力容器２０は、図１に示すように、膜エレメント１を収容し、軸心方向の一方の端部に原液７の供給部２２ａ及び濃縮液９の排出部２２ｂを有し、軸心方向の何れかの端部に透過液８の排出部２３ａを有している。本実施形態では、軸心方向の一方の端部が下側に配置され、他方の端部が上側に配置され、下側の端部に設けた底部部材２２に原液７の供給部２２ａ及び濃縮液９の排出部２２ｂを有し、上側の端部に設けた上部部材２３に透過液８の排出部２３ａを有する例を示す。

本実施形態における圧力容器２０は、円筒部材２１を更に有しており、円筒部材２１の上端及び下端に、上部部材２３及び底部部材２２が、液密状態で嵌合されている。液密状態とするため、例えば、オーリング等が使用され、更に、内部の圧力に対する抜け止めのための各種構造が採用できる（何れも図示省略）。

円筒部材２１は、樹脂、金属、セラミックスなどの任意の材料で形成することが可能であるが、耐圧性能と軽量化の観点から、マンドレル等の円柱状金型を用いて、これに補強繊維（ロービング繊維）を巻き付けた繊維補強樹脂で形成されていることが好ましい。

図１〜図２（ｂ）に示すように、底部部材２２の原液７の供給部２２ａ及び濃縮液９の排出部２２ｂには、外部配管と接続するための接続管２５ａ、２５ｂを液密状態で嵌合させる開口が形成されている。図示した例では、基台２６に外部配管２６ａ、２６ｂが設けられ、基台２６に設けた開口部に、接続管２５ａ、２５ｂが液密状態で嵌合している。接続管２５ａ、２５ｂを液密状態とするため、例えば、オーリング等が使用され、更に、抜け止めのための各種構造が採用できる（何れも図示省略）。

また、図示した例では、基台２６に設けた螺子孔に対して、底部部材２２に係合する留め具２８を介して、ボルト２７を螺合することによって、圧力容器２０を基台２６に固定している。

上部部材２３に透過液８の排出部２３ａを有する場合、底部部材２２には、中心管５を閉塞させる勘入部を設けることが好ましい。この例では、オーリング等を底部部材２２の勘入部に保持させて、挿入した中心管５を液密に保持している（図示省略）。

図１〜図２（ａ）に示すように、上部部材２３には、透過液８の排出部２３ａに加えて、エア抜き部２３ｂが設けられている。透過液８の排出部２３ａは、中心管５の勘入部と、外部配管の接続部を有する。エア抜き部２３ｂには、例えば、弁を有する配管が接続され、圧力容器２０の内部に原液７を満たす際には弁が開放され、運転時には弁が閉じられている。

（導液部材）
導液部材３０は、図１に示すように、圧力容器２０の一方の端部と膜エレメント１の間に配置される。図示した例では、導液部材３０と膜エレメント１とを跨がるように、テープ２９が巻き付けられて、簡易なシールが行われている。また、導液部材３０は、膜エレメント１の巻回体Ｒの下端と、圧力容器２０の端部の内壁とに当接して配置されている。その際、図示した例では、導液部材３０の芯出しのために、円筒部材２１の内壁に脚部３５の外壁が当接する構造にしているが、他の方法で芯出しを行なうことも可能である（図７参照）。

また、図３に示すように、導液部材３０は、原液７と濃縮液９の混合を防止しつつ、原液７の供給部２２ａを膜エレメント１の外装材１３の外側又は内側に連通させ、濃縮液９の排出部２２ｂを膜エレメント１の外装材１３の内側又は外側に連通させる隔壁３１〜３３を有する。本実施形態では、外装材１３の端辺に隣接して設けられる円筒状隔壁３１と、円筒状隔壁３１の内周側に設けられた円板状隔壁３２と、円板状隔壁３２に設けた開口を濃縮液９の排出部２２ｂと連通させる環状隔壁３３と、を有する導液部材３０の例を示す。

図示した例の導液部材３０によると、供給部２２ａから流入した原液７は、円板状隔壁３２に沿って外側に流動した後、円筒状隔壁３１の外周面に沿って流動し、膜エレメント１の外装材１３の外側に導かれる。また、膜エレメント１の外装材１３の内側から流出した濃縮液９は、円筒状隔壁３１の内側において、円板状隔壁３２に沿って流動し、環状隔壁３３に導かれて、濃縮液９の排出部２２ｂから排出される。

図示した例では、円筒状の環状隔壁３３が設けられているが、環状隔壁３３としては、原液７と濃縮液９の混合を防止できる形状であれば、何れの形状でもよい。例えば、断面が楕円形、四角形などの多角形などの環状隔壁３３でもよい。

また、図示した例では、導液部材３０が、更に、円板状隔壁３２の中央に設けられて中心管５が挿入される環状支持部３４と、円筒状隔壁３１から圧力容器２０の端部の内壁に伸びる脚部３５と、を有している。

環状支持部３４は、一端が閉じた構造とすることが可能であり、これにより中心管５の一端を閉塞させることが可能となる。また、環状支持部３４は、膜エレメント１の巻回体Ｒと圧力容器２０の端部の内壁との間の距離に相当する長さとすることが好ましいが、環状支持部３４の一端のみが、巻回体Ｒ又は圧力容器２０の内壁と当接する長さで形成してもよい。なお、環状支持部３４の断面形状も特に限定されない。

図示した例では、導液部材３０が３本の脚部３５を有するが、脚部３５の形状や個数は、膜エレメント１の外装材１３の外側への流動を特に妨げないものであれば、何れでもよい。また、導液部材３０とは別体として、脚部３５の代わりとなるスペーサを設けることも可能である。

（スパイラル型膜モジュールの他の実施形態）
（１）前述の実施形態では、原液７の供給部２２ａを膜エレメント１の外装材１３の外側に連通させ、濃縮液９の排出部２２ｂを膜エレメント１の外装材１３の内側に連通させる例を示したが、図４に示すように、同じ構造の導液部材３０を用いて、原液７の供給部２２ａを膜エレメント１の外装材１３の内側に連通させ、濃縮液９の排出部２２ｂを膜エレメント１の外装材１３の外側に連通させることが可能である。

この例の場合、供給部２２ａから流入した原液７は、環状隔壁３３に導かれて、円板状隔壁３２に沿って外側に流動した後、膜エレメント１の外装材１３の内側に流入する。膜分離が行われた後、膜エレメント１の外装材１３の内側から流出した濃縮液９は、外装材１３の外側を流動した後、円筒状隔壁３１の外周面に沿って流動し、円板状隔壁３２に沿って内側に流動した後、濃縮液９の排出部２２ｂから排出される。

（２）前述の実施形態では、上側の端部に設けた上部部材２３に透過液８の排出部２３ａを有する例を示したが、図４に示すように、下側の端部に設けた底部部材２２に、透過液８の排出部２３ｃを設けることも可能である。

その場合、底部部材２２の透過液８の排出部２２ｃには、外部配管と接続するための接続管２５ｃを液密状態で嵌合させる開口が形成されている。図示した例では、基台２６に外部配管２６ｃが設けられ、基台２６に設けた開口部に、接続管２５ｃが液密状態で嵌合している。接続管２５ｃを液密状態とするため、例えば、オーリング等が使用され、更に、抜け止めのための各種構造が採用できる（何れも図示省略）。

（３）前述の実施形態では、膜エレメント１の両側の端部材を省略した例を示したが、図５に示すように、膜エレメント１の巻回体Ｒと導液部材３０の間に、端部材１０、１２を配置することも可能である。図示した例では、導液部材３０と端部材１０と膜エレメント１とを跨がるように、テープ２９が巻き付けられて、簡易なシールが行われている。

端部材１０、１２には、シール材を保持させる必要はなく、中心管５を挿入可能な開口と、液体を流動させるための開口を有していれば、何れの構造でもよい。端部材１０、１２としては、例えば、円形の多孔板、内側の環状部と外側の環状部とをスポークで連結した成形体、両者の組合せなどが挙げられる。

（４）前述の実施形態では、円筒状隔壁３１から圧力容器２０の端部の内壁に伸びる３本の脚部３５を有する導液部材３０の例を示したが、本発明では、図６に示すように、円板状隔壁３２から圧力容器２０の端部の内壁に伸びる脚部３５を有していてもよい。このような脚部３５の形状としては、断面が円形、楕円形、三角形又は四角形などの多角形などが挙げられる。

（５）前述の実施形態では、導液部材３０を単一の部材で構成する例を示したが、図７〜図８に示すように、導液部材３０を複数の部材で構成することも可能である。図示した例では、導液部材３０が、下側に配置される円板状隔壁部材３０ａと、その上側に配置される膜支持部材３０ｂと、それらに挿入されるキャップ部材３０ｃとで構成されている。これらの部材は、接着等により一体化してもよいが、別体の状態で使用することも可能である。

円板状隔壁部材３０ａは、円筒状隔壁３１の一部である下部円筒状隔壁３１ａと、その内周側に設けられた円板状隔壁３２と、円板状隔壁３２に設けた開口を濃縮液９の排出部２２ｂと連通させる環状隔壁３３と、円板状隔壁３２の中央に設けられてキャップ部材３０ｃを保持する下部環状保持部３６ａとを有する。この下部環状保持部３６ａにより芯出しが可能なように、図示した例では、底部部材２２の中央凸部に対して、下部環状保持部３６ａが外嵌できるようになっている。

膜支持部材３０ｂは、円筒状隔壁３１の一部である上部円筒状隔壁３１ｂと、その中央に設けられてキャップ部材３０ｃを保持する上部環状保持部３６ｂと、上部円筒状隔壁３１ｂと上部環状保持部３６ｂとを連結する連結部３７とを有する。この例では、連結部３７が６箇所に設けられているが、より少ない本数を設けたり、逆に７箇所以上に連結部３７を設けることも可能である。

キャップ部材３０ｃは、中心管５を内嵌する開口を有し、開口の内部に保持されたオーリング（図示省略）と共に、中心管５を液密に保持する機能を有する。このキャップ部材３０ｃと、上部環状保持部３６ｂと、下部環状保持部３６ａとによって、中心管５が挿入される環状支持部３４を構成している。

また、導液部材３０を複数の部材で構成する場合、部材間をシールすることが好ましい。例えば図７に示すように、導液部材３０の下部円筒状隔壁３１ａと上部円筒状隔壁３１ｂと膜エレメント１とを跨がるように、テープ２９が巻き付けられて、簡易なシールを行うことができる。

１ 膜エレメント
２ 分離膜
３ 透過側流路材
５ 中心管
５ａ 開孔
６ 供給側流路材
７ 原液
８ 透過液
９ 濃縮液
１３ 外装材
２０ 圧力容器
２２ａ 原液の供給部
２２ｂ 濃縮液の排出部
２３ａ 透過液の排出部
３０ 導液部材
３１ 円筒状隔壁（隔壁）
３２ 円板状隔壁（隔壁）
３３ 環状隔壁（隔壁）
Ｒ 巻回体

Claims (6)

1. 有孔の中心管と、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材を含む膜部材が前記中心管に巻きつけられた巻回体と、その巻回体の外周に設けられた外装材と、を含む膜エレメントと、
   前記膜エレメントを収容し、軸心方向の一方の端部に原液の供給部及び濃縮液の排出部を有し、軸心方向の何れかの端部に透過液の排出部を有する圧力容器と、
   前記圧力容器の前記一方の端部と前記膜エレメントの間に配置され、原液と濃縮液の混合を防止しつつ、前記原液の供給部を前記膜エレメントの外装材の外側又は内側に連通させ、前記濃縮液の排出部を前記膜エレメントの外装材の内側又は外側に連通させる隔壁を有する導液部材と、
   を備えるスパイラル型膜モジュール。
2. 前記導液部材の隔壁は、前記原液の供給部から流入する原液を前記外装材の外側に導き、前記膜エレメントから流出する濃縮液を前記濃縮液の排出部に導くものである請求項１に記載のスパイラル型膜モジュール。
3. 前記圧力容器は、その軸心方向が上下に配置されている請求項１又は２に記載のスパイラル型膜モジュール。
4. 前記圧力容器は、前記一方の端部が下側に配置されている請求項３に記載のスパイラル型膜モジュール。
5. 前記導液部材は、前記外装材の端辺に隣接して設けられる円筒状隔壁と、前記円筒状隔壁の内周側に設けられた円板状隔壁と、前記円板状隔壁に設けた開口を前記濃縮液の排出部と連通させる環状隔壁と、を有する請求項１〜４いずれかに記載のスパイラル型膜モジュール。
6. 前記導液部材は、更に、前記円板状隔壁の中央に設けられて前記中心管が挿入される環状支持部と、前記円板状隔壁又は前記円筒状隔壁から前記圧力容器の端部の内壁に伸びる脚部と、を有する請求項５に記載のスパイラル型膜モジュール。

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