JP2020075203A - 分離膜エレメント、分離膜モジュール、及びろ過システム - Google Patents

Abstract

【課題】原水の流れ方向を逆向きに変更する運転を行うときに有利な分離膜エレメントを提供する。【解決手段】分離膜エレメント（１０）は、集水管（１１）と、分離膜（１２）と、第一端部材（１６ａ）と、第二端部材（１６ｂ）と、第一シール部材（１７ａ）と、第二シール部材（１７ｂ）とを備える。第一端部材（１６ａ）は、集水管（１１）の軸線方向における分離膜（１２）の一方の端を覆い、第二端部材（１６ｂ）は、集水管（１１）の軸線方向における分離膜（１２）の他方の端を覆っている。第一シール部材（１７ａ）は、第一端部材（１６ａ）の外周に取り付けられた環状の部材である。第二シール部材（１７ｂ）は、第二端部材（１６ｂ）の外周に取り付けられた環状の部材である。第一シール部材（１７ａ）及び第二シール部材（１７ｂ）の少なくとも１つは、液体が通過可能な穴等を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、分離膜エレメント、分離膜モジュール、及びろ過システムに関する。

分離膜エレメントは、海水の淡水化、純水の製造、廃水処理、原油の採掘などの様々な分野で使用されている。分離膜エレメントは、例えば、集水管と、集水管に巻きつけられた分離膜とを備えている。分離膜エレメントが圧力容器に装填されて分離膜モジュールが構成される。

例えば、特許文献１には、複数のスパイラル型膜エレメントがハウジング内に装填された逆浸透膜モジュールが記載されている。この逆浸透膜モジュールの運転方法において、原水の流れ方向が定期又は不定期に反対方向へ変更される。この逆浸透膜モジュールにおいて、スパイラル型膜エレメントの外周とハウジングの内周との間の隙間を閉塞するブラインシールが配置されている。

特許文献２には、スパイラル型の分離膜エレメントと、分離膜エレメントの通水時に生じるスラスト荷重を保持するスラスト荷重保持部材とを備える分離膜モジュールが記載されている。この分離膜モジュールにおいて、所定のフラッシング液を用いて逆方向フラッシングが行われる。スラスト荷重保持部材により、逆方向フラッシング時の水の流れで発生する圧力損失によるスラスト荷重が支えられる。分離膜エレメントの一端にはブラインシールが設けられている。

特許文献３には、複数の分離膜エレメントが筒状圧力容器内に充填された少なくとも１つの分離膜モジュールからなる分離膜ユニットが記載されている。分離膜エレメントにおいて、分離膜を流路部材と共に巻回した膜巻体の外周が外装体によって覆われており、膜巻体及び外装体の少なくとも片端にテレスコープ防止板が設けられている。テレスコープ防止板の外周と筒状圧力容器の内周面との間に被処理流体シール部材が設けられている。被処理流体シール部材は、被処理流体を筒状圧力容器と分離膜エレメントの間に存在するバイパス流路へバイパスさせる通水路を有する。これにより、分離膜エレメントの圧力損失が上昇した場合において分離膜エレメントを通過する流量を低減し、分離膜エレメントにおける流動抵抗を抑制することが可能となる。その効果として、テレスコープの発生を抑えることを可能とする。

特開２００４−１４１８４６号公報 国際公開第２０１５／４１２６３号 特開２０１８−１２６７０６号公報

特許文献１に記載の技術は、分離膜モジュールにおいて原水の流れ方向を逆向きに変更する運転を行うときに分離膜エレメントの保護の観点から改良の余地を有する。一方、特許文献２には、原水の流れ方向を逆向きに変更するように分離膜モジュールを運転することは記載されていない。特許文献３には、原水の流れ方向を逆向きに変更するように上記の分離膜モジュールを運転することは記載されていない。

そこで、本開示は、例えば分離膜モジュールにおいて複数の分離膜エレメントの膜負荷を均一化するために、原水の流れ方向を逆向きに変更する運転を行うときに、分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されることによるエネルギーロスを低減するとともに分離膜エレメントの内部を通過する原水の流速が低下することによる膜面近傍の濃度分極の悪化を抑えて透過水量及び透過水の水質を保ち、分離膜モジュールにおける性能の低下を抑制しつつ自身を適切に保護する観点から有利な分離膜エレメントを提供する。加えて、本開示は、このような分離膜エレメントを備えた、分離膜モジュール及びろ過システムを提供する。

本開示は、
集水管と、
前記集水管に巻きつけられた分離膜と、
前記集水管の軸線方向における前記分離膜の一方の端を覆う第一端部材と、
前記集水管の軸線方向における前記分離膜の他方の端を覆う第二端部材と、
前記第一端部材の外周に取り付けられた環状の第一シール部材と、
前記第二端部材の外周に取り付けられた環状の第二シール部材と、を備え、
前記軸線方向において原水の流れを逆方向に切り換え可能なろ過システムに用いられ、
前記第一シール部材及び前記第二シール部材の少なくとも１つは、前記集水管の軸線方向において、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する、
分離膜エレメントを提供する。

別の側面において、本開示は、
圧力容器と、
前記圧力容器の内部に配置された複数の上記の分離膜エレメントと、
前記分離膜エレメントの前記集水管の軸線方向において前記圧力容器の一方の端部に位置し、原水を前記圧力容器の内部に導くための第一供給口と、
前記分離膜エレメントの前記集水管の軸線方向において前記圧力容器の他方の端部に位置し、前記原水を前記圧力容器の内部に導くための第二供給口と、を備えた、
分離膜モジュールを提供する。

さらに別の側面において、本開示は、
上記の分離膜モジュールと、
前記原水が前記第一供給口を通過して前記圧力容器の内部に供給される第一モードと、前記原水が前記第二供給口を通過して前記圧力容器の内部に供給される第二モードとを切り換えるための少なくとも１つのバルブと、を備えた、
ろ過システムを提供する。

本開示によれば、上記の分離膜エレメントは、例えば分離膜モジュールにおいて複数の分離膜エレメントの膜負荷を均一化するために、原水の流れ方向を逆向きに変更する運転を行うときに、分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されることによるエネルギーロスを低減するとともに分離膜エレメントの内部を通過する原水の流速が低下することによる膜面近傍の濃度分極の悪化を抑えて透過水量及び透過水の水質を保ち、分離膜モジュールにおける性能の低下を抑制しつつ自身を適切に保護する観点から有利である。

図１は、本開示の分離膜エレメントの一例を示す展開斜視図である。 図２は、図１に示す分離膜エレメントを示す断面図である。 図３は、分離膜エレメントの端部材の正面図である。 図４は、本開示の分離膜モジュールの一例を示す断面図である。 図５Ａは、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図５Ｂは、本開示の分離膜モジュールの別の一例を示す断面図である。 図５Ｃは、本開示の分離膜モジュールのさらに別の一例を示す断面図である。 図５Ｄは、変形例に係るシール部材を示す正面図である。 図６は、本開示のろ過システムの一例の構成を模式的に示す図である。 図７Ａは、分離膜モジュールにおける原水の流れを概念的に説明する断面図である。 図７Ｂは、分離膜モジュールにおける原水の流れを概念的に説明する断面図である。

近年、廃水処理の分野又は原油採掘の分野で使用可能な分離膜エレメントのように、高いＴＤＳ（Total Dissolved Solids）濃度を有する原水を処理できる分離膜エレメントのニーズが生まれつつある。例えば、工業廃水は、減容化の目的で濃縮されるため、高いＴＤＳ濃度（例えば、質量濃度で３００００ｐｐｍ以上の濃度）を有しうる。原油を採掘すると、大量の随伴水が副産物として得られる。随伴水には様々な物質が高濃度で含まれている。原油採掘の現場では、地下油層の圧力を高めるための注入水の製造も必要である。注入水の製造に分離膜エレメントを使用する場合、特に中東地域で見られるような高濃度の海水などの高いＴＤＳ濃度を有する原水を処理する必要がある。

分離膜エレメントを用いて高いＴＤＳ濃度の原水処理する場合、処理能力の向上のために、直列に接続された複数の分離膜エレメントを圧力容器の中に装填して分離膜モジュールを構成することが考えられる。このような分離膜モジュールにおいて、原水が特定方向にのみ流れると、原水の高いＴＤＳ濃度に起因して、特定の分離膜エレメントの膜負荷が著しく大きくなり、特定の分離膜エレメントにおいてファウリングが著しく酷くなる。例えば、原水の流れ方向において最上流の分離膜エレメントの膜負荷が最下流の分離膜エレメントに比べて著しく大きくなる。そこで、分離膜モジュールにおける分離膜エレメント間の膜負荷のばらつきを抑制するために、分離膜モジュールにおいて原水の流れ方向を所定のタイミングで逆向きに変更することが考えられる。なお、分離膜エレメントの膜負荷とは、分離膜エレメントに供給される原水の体積流量を当該分離膜エレメントにおける分離膜の有効膜面積で除した物理量であり、例えば、［Ｌ（リットル）／（ｍ²・時間）］の次元を有する。分離膜の「有効膜面積」とは、接着剤によって封止された部分等を除く、原水をろ過処理できる部分の面積を意味する。

分離膜モジュールにおいて分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されること、換言すると、分離膜エレメントの内部を通過する原水の流速が低下することを防止するために分離膜エレメントに環状のシール部材が取り付けられる。典型的には、分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されるとエネルギーロスに繋がり、分離膜エレメント内部を通過する原水の流速が十分でない場合、濃度分極の悪化により分離膜近傍における浸透圧が高まり、透過水量及び透過水の水質が低下する。このシール部材は、分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内周面との隙間をシールする。このシール部材は、例えば、原水の圧力を利用して半径方向外側に広がり、分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内周面との隙間をシールする。これにより、分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されることによるエネルギーロスが低減されるとともに分離膜エレメント内部を通過する原水の流速が低下することを防止でき、膜面近傍の濃度分極の悪化を抑えられて透過水量及び透過水の水質が維持され、分離膜モジュールの性能の低下を防止できる。このシール部材は、典型的には分離膜エレメントの原水の流れの上流に位置する端部材の外周に取り付けられる。一方、分離膜エレメントの原水の流れの下流に位置する端部材と圧力容器の内周面との間の隙間は通常シールされない。これにより、分離膜エレメントを通過した原水の一部を分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内周面との間の隙間に導いて、分離膜エレメントの内部の圧力と、分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内周面との間の隙間における圧力との差を小さくできる。その結果、分離膜エレメントが適切に保護される。

分離膜モジュールにおける原水の流れを所定のタイミングで反転させる場合、原水の流れの変更に関わらず、分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されること、換言すると、分離膜エレメント内部を通過する原水の流速が低下することを抑制できることが望ましい。そこで、分離膜エレメントの一対の端部材のそれぞれにシール部材を取り付けることが考えられる。しかし、この場合、分離膜エレメントを通過した原水の一部が分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内周面との間の隙間に導かれない。このため、分離膜エレメントの内部の圧力と、分離膜エレメントの外周面と圧力容器の内周面との間の隙間における圧力との差が大きくなる。その結果、分離膜エレメントを適切に保護することが難しくなると考えられる。そこで、本発明者らは、分離膜モジュールにおける原水の流れを所定のタイミングで反転させる場合に、分離膜エレメントの内部を通過することなく原水が排出されること、換言すると、分離膜エレメント内部を通過する原水の流速が低下することを抑制しつつ、分離膜エレメントを適切に保護できる技術について鋭意検討を重ねた。その結果、分離膜エレメントの一対の端部材のそれぞれにシール部材を取り付けつつ、一対の端部材の少なくとも１つに液体が通過可能な穴等を設けることを新たに思いつき、本開示の分離膜エレメントを案出した。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示す通り、分離膜エレメント１０は、集水管１１と、分離膜１２とを備えている。分離膜１２は、集水管１１に巻きつけられている。加えて、図２に示す通り、分離膜エレメント１０は、第一端部材１６ａと、第二端部材１６ｂと、第一シール部材１７ａと、第二シール部材１７ｂとを備えている。第一端部材１６ａは、集水管１１の軸線方向における分離膜１２の一方の端を覆っている。第二端部材１６ｂは、集水管１１の軸線方向における分離膜１２の他方の端を覆っている。第一シール部材１７ａは、第一端部材１６ａの外周に取り付けられた環状の部材である。第二シール部材１７ｂは、第二端部材１６ｂの外周に取り付けられた環状の部材である。第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つは、集水管１１の軸線方向において、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する。分離膜エレメント１０は、後述の通り、集水管１１の軸線方向において原水の流れを逆方向に切り換え可能なろ過システムに用いられるものである。

第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂが集水管１１の軸線方向において、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有していてもよい。図２に示す通り、第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂのそれぞれは、例えば、液体が通過可能な穴１７ｈを有する。なお、第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの一方のみが、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有していてもよい。

分離膜１２は、例えば、逆浸透膜である。ただし、分離膜１２は、ナノ濾過膜であってもよく、限外濾過膜であってもよく、精密濾過膜であってもよい。

図１に示す通り、分離膜エレメント１０の一端部に原水が流入すると、原水は、分離膜１２によってろ過されて濃縮される。これにより、濃縮された原水と透過水とが生成される。濃縮された原水は、分離膜エレメント１０の他端部から分離膜エレメント１０の外部へと排出される。透過水は、透過水の流路及び集水管１１を通じて、分離膜エレメント１０の外部へと排出される。分離膜エレメント１０は、原水に含まれたイオン、塩類などの溶質が取り除かれた透過水を生成する。

図１に示す通り、分離膜エレメント１０は、例えば、供給側流路材１３と、透過側流路材１４とをさらに備えている。供給側流路材１３及び透過側流路材１４は、分離膜１２とともに集水管１１に巻きつけられている。例えば、分離膜１２、供給側流路材１３、及び透過側流路材１４によって積層体１５が構成され、積層体１５が集水管１１に巻きつけられている。積層体１５は、例えば、複数の分離膜１２、複数の供給側流路材１３、及び複数の透過側流路材１４によって構成されている。

例えば、複数の分離膜１２は、互いに重ね合わされ、袋状の構造を有するように３辺において封止され、集水管１１に巻きつけられている。袋状の構造の外部に位置するように、分離膜１２と分離膜１２との間に供給側流路材１３が配置されている。供給側流路材１３は、分離膜１２と分離膜１２との間に原水の流路としての空間を確保している。袋状の構造の内部に位置するように、分離膜１２と分離膜１２との間に透過側流路材１４が配置されている。透過側流路材１４は、分離膜１２と分離膜１２との間に透過水の流路としての空間を確保している。透過水の流路が集水管１１に連通するように、袋状の構造の開口端が集水管１１に接続されている。

集水管１１は、各分離膜１２を透過した透過水を集めて分離膜エレメント１０の外部に導く役割を担っている。集水管１１には、その軸線方向に沿って複数の貫通孔１１ｈが所定間隔で設けられている。透過水は、これらの貫通孔１１ｈを通じて集水管１１の中に流入する。

集水管１１の構成材料は特に限定されない。集水管１１は、例えば、金属、セラミック又は樹脂で作られている。金属としては、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、黄銅（真鍮）、青銅、ジュラルミン、その他の合金などが挙げられる。セラミックとしては、アルミナセラミック、ジルコニアセラミック、窒化ケイ素セラミック、窒化アルミニウムセラミック、炭化ケイ素セラミックなどが挙げられる。樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂などが挙げられる。集水管１１を構成する樹脂は、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、又はシリコーン樹脂であってもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエステル樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂及びポリブチレンテレフタレート樹脂）、ポリフェニレンオキシド樹脂、変性ポリフェニレンオキシド樹脂（例えば、変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂、アクリルニトリル−スチレン共重合体樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、これらの樹脂の混合物、これらの樹脂を含むポリマーアロイなどが挙げられる。

集水管１１の構成材料は樹脂を含んでいてもよい。この場合、集水管１１に優れた耐食性を付与しやすい。集水管１１の構成材料の主成分が樹脂であってもよい。「主成分」とは、体積比で最も多く含まれた成分を意味する。

集水管１１の構成材料は、樹脂と強化材料とを含む樹脂組成物であってもよい。強化材料としては、繊維材料、結晶材料などが挙げられる。繊維材料としては、ガラス繊維、炭素繊維などが挙げられる。結晶材料としては、ウィスカー、液晶ポリマーなどが挙げられる。ガラス繊維としては、ガラスウール、チョップド・ガラスファイバー、ミルド・ガラスファイバーが挙げられる。炭素繊維としては、ミルド炭素繊維が挙げられる。ウィスカーとしては、ホウ酸アルミニウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカー、塩基性硫酸マグネシウムウィスカー、珪酸カルシウムウィスカー、硫酸カルシウムウィスカーなどが挙げられる。

図２に示す通り、分離膜エレメント１０は、例えば、積層体１５を取り囲むシェル１８をさらに備えている。第一端部材１６ａは、例えば、集水管１１の軸線方向におけるシェル１８の一端に取り付けられ、第二端部材１６ｂは、例えば、集水管１１の軸線方向におけるシェル１８の他端に取り付けられている。例えば、集水管１１の材料として挙げた材料をシェル１８にも使用可能である。

第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂは、積層体１５がテレスコピック状に伸長することを防止する。第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂは、典型的には、同一の形状を有する。このため、第一端部材１６ａの形状に関する説明は、第二端部材１６ｂの形状にも当てはまる。図３に示す通り、第一端部材１６ａは、内側筒部１６ｉ、外側筒部１６ｅ、及び複数のリブ１６ｒを有する。第一端部材１６ａは、テレスコープ防止部材又はシールキャリアとも呼ばれる。内側筒部１６ｉが外側筒部１６ｅによって周方向に囲まれている。外側筒部１６ｅの中心は、内側筒部１６ｉの中心に一致している。複数のリブ１６ｒは、内側筒部１６ｉの周りに等角度間隔で設けられており、内側筒部１６ｉから外側筒部１６ｅに向かって延びている。リブ１６ｒは、弓状に湾曲していてもよく、半径方向に真っ直ぐ延びていてもよい。内側筒部１６ｉには、集水管１１を通すための貫通孔１６ｈが設けられている。隣り合うリブ１６ｒとリブ１６ｒとの間に広がる部分には、原水を通過させるための複数の貫通孔１６ｆが設けられている。リブ１６ｒとリブ１６ｒとの間に広がる部分の全部が貫通孔であってもよい。

第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの少なくとも１つは、例えば、環状の端面１６ｊを有し、かつ、環状の端面１６ｊの内周から外周まで延びている端面溝部１６ｋを有する。環状の端面１６ｊは、集水管１１の軸線方向において分離膜１２に近い端部に対し反対側の端部に形成された端面である。第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの両方が端面溝部１６ｋを有していてもよいし、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの一方のみが端面溝部１６ｋを有していてもよい。これにより、積層体１５を通過した原水の一部が端面溝部１６ｋを通過して、分離膜エレメント１０の外部に導かれうる。例えば、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの少なくとも１つは、環状の端面１６ｊにおいて、周方向に等角度間隔で複数の端面溝部１６ｋを有している。複数の分離膜エレメント１０を接続した場合に、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂは、それぞれ、第二端部材１６ｂ及び第一端部材１６ａと面接触しうる。この場合、端面溝部１６ｋによって、分離膜エレメント１０の内部の原水の流路が分離膜エレメント１０の外部に連通する。場合によっては、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂは、端面溝部１６ｋを有していなくてもよい。

第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの材料は特に限定されない。例えば、集水管１１の材料として挙げた材料を第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂにも使用可能である。

図２に示す通り、例えば、集水管１１の軸線方向において、集水管１１の端面１１ｐの位置が第一端部材１６ａの端面１６ｐ及び第二端部材１６ｂの端面１６ｐの位置に揃っている。このような構造によれば、複数の分離膜エレメント１０を集水管１１の軸線方向に並べて分離膜モジュールを構成する場合に、隣り合う分離膜エレメント１０の第一端部材１６ａと第二端部材１６ｂとが互いに接する。その結果、分離膜１２の面積を十分に稼ぐことができる。例えば、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂにおいて、内側筒部１６ｉの端面及び外側筒部１６ｅの端面は同一平面上に存在する。さらに、内側筒部１６ｉの端面、外側筒部１６ｅの端面、及び、リブ１６ｒの端面は、同一平面上に存在していてもよい。集水管１１の端面１１ｐは、貫通孔１６ｈの内部に位置していてもよい。

第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂのそれぞれは、例えば、円状、楕円状、四角形状、Ｖ字状、Ｕ字状、及びＸ字状の断面を有するシール部材並びにスプリットリング状のシール部材からなる群より選ばれる少なくとも１つである。例えば、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの外周面には、それぞれ、環状溝が形成されている。第一シール部材１７ａは、例えば、第一端部材１６ａの外周面の環状溝に嵌められている。第二シール部材１７ｂは、例えば、第二端部材１６ｂの外周面の環状溝に嵌められている。第一シール部材１７ａの外径は、第一端部材１６ａの外径よりも大きい。このため、第一シール部材１７ａは、半径方向外側に第一端部材１６ａから突出している突出部を有する。第一シール部材１７ａは、例えば、この突出部に、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する。一方、第二シール部材１７ｂの外径は、第二端部材１６ｂの外径よりも大きい。このため、第二シール部材１７ｂは、半径方向外側に第二端部材１６ｂから突出している突出部を有する。第二シール部材１７ｂは、例えば、この突出部に、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する。

第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂのそれぞれは、複数の穴１７ｈを有していてもよいし、液体が通過可能な複数のスリットを有していてもよいし、液体が通過可能な複数の隙間を有していてもよい。複数の穴１７ｈ、複数のスリット、及び複数の隙間は、例えば、第一シール部材１７ａ又は第二シール部材１７ｂの周方向に等角度間隔で形成されている。

液体が通過可能な穴１７ｈ、液体が通過可能なスリット、又は液体が通過可能な隙間の寸法及び形状は、液体が通過可能である限り特に限定されない。穴１７ｈの穴径は、例えば、０．５〜５ｍｍである。穴１７ｈは、長穴であってもよい。液体が通過可能なスリットの幅は、例えば０．５〜５ｍｍである。液体が通過可能な隙間の幅は、例えば０．５〜５ｍｍである。

分離膜エレメント１０を用いて分離膜モジュール１００を構成できる。図４に示す通り、分離膜モジュール１００は、圧力容器１と、複数の分離膜エレメント１０とを備えている。複数の分離膜エレメント１０は、圧力容器１の内部に配置されており、直列に接続されている。分離膜モジュール１００は、第一供給口３１と、第二供給口３２とをさらに備えている。第一供給口３１は、分離膜エレメント１０の集水管１１の軸線方向において圧力容器１の一方の端部に位置し、原水を圧力容器１の内部に導くためのものである。第二供給口３２は、分離膜エレメント１０の集水管１１の軸線方向において圧力容器１の他方の端部に位置し、原水を圧力容器１の内部に導くためのものである。

図５Ａに示す通り、分離膜モジュール１００において、第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つの液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間は、例えば、分離膜エレメント１０の集水管１１の軸線に垂直な方向において、圧力容器１の内周面と分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂを除く部分の外周部との間に位置している。これにより、穴、スリット、及び隙間を原水の一部がより確実に通過できる。図５Ａにおいて、第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つには、例えば、液体が通過可能な穴１７ｈが形成されている。図５Ｂ及び図５Ｃに示す通り、第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つには、それぞれ、液体が通過可能なスリット１７ｈ（溝）及び隙間１７ｈが形成されていてもよい。図５Ｂに示すシール部材は、円状、楕円状、四角形状、又はＸ字状の断面を有するシール部材である。図５Ｂに示すシール部材は、１つのスリット１７ｈを有していてもよいし、複数のスリットを有していてもよい。図５Ｃに示すシール部材は、スプリットリング状のシール部材である。なお、第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つとして、図５Ｄに示すようなシール部材１７ｃを用いることもできる。シール部材１７ｃは、スプリットリング状のシール部材である。図５Ｄに示す通り、シール部材１７ｃは、周方向に互いに重なる一対の薄片部１７ｆを有する。一対の薄片部１７ｆは、スプリットリングの両端部を形成している。各薄片部１７ｆの厚みは、シール部材１７ｃにおける薄片部１７ｆ以外の部分の厚みの約半分である。一方の薄片部１７ｆの先端と、他方の薄片部１７ｆの後端部とによって、隙間１７ｈが形成されている。

分離膜モジュール１００において、例えば、分離膜エレメント１０の集水管１１の軸線方向において、複数の分離膜エレメント１０のうち第一供給口３１に最も近い分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つは、集水管１１の軸線方向において液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する。加えて、分離膜エレメント１０の集水管１１の軸線方向において、複数の分離膜エレメント１０のうち第二供給口３２に最も近い分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つは、集水管１１の軸線方向において液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する。換言すると、分離膜モジュール１００において集水管１１の軸線方向に配置された複数の分離膜エレメント１０の両端に位置する１対の分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂの少なくとも１つは、集水管１１の軸線方向において液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する。この場合、分離膜モジュール１００において複数の分離膜エレメント１０の膜負荷を均一化するために、原水の流れ方向を逆向きに変更する運転を行うときに、分離膜モジュール１０における性能の低下を抑制しつつエネルギーロスを低減するとともに、各分離膜エレメント１０を適切に保護できる。

圧力容器１の両端には、円盤状の端板８ａ及び８ｂが取り付けられている。端板８ａには、透過水を取り出すための第一排出管６３ａが中心に設けられている。端板８ｂには、透過水を取り出すための第二排出管６３ｂが中心に設けられている。

分離膜モジュール１００において、隣り合う分離膜エレメント１０は、コネクタ６１によって互いに接続されている。コネクタ６１は、集水管１１の内部に位置するインターコネクタでありうる。集水管１１の軸線方向において、隣り合う分離膜エレメント１０の第一端部材１６ａと第二端部材１６ｂとが接している。詳細には、第一端部材１６ａの端面と第二端部材１６ｂの端面とが接している。このような構造によれば、圧力容器１の内部の無駄な空間を減らし、積層体１５の長さを最大限に確保でき、分離膜１２の面積を十分に確保できる。

分離膜モジュール１００において、複数の分離膜エレメント１０のうち第一供給口３１に最も近い分離膜エレメント１０は、アダプタ６２によって第一排出管６３ａに接続されている。複数の分離膜エレメント１０のうち第二供給口３２に最も近い分離膜エレメント１０は、アダプタ６２によって第二排出管６３ｂに接続されている。

分離膜モジュール１００は、例えば、一対のスラストリング７０をさらに備えている。一対のスラストリング７０の一方は、複数の分離膜エレメント１０のうち第一供給口３１に最も近い分離膜エレメント１０と、端板８ａとの間に配置されている。一対のスラストリング７０の他方は、複数の分離膜エレメント１０のうち第二供給口３２に最も近い分離膜エレメント１０と、端板８ｂとの間に配置されている。スラストリング７０は、例えば、円錐台状かつ環状の部品である。スラストリング７０の中央には、スラストリング７０をアダプタ６２に嵌めるための貫通孔が形成されている。この貫通孔の孔径は、アダプタ６２の外周部分よりもわずかに大きい。加えて、スラストリング７０の錐面には、原水を通過させるための貫通孔が形成されている。スラストリング７０の最大内径及び最大外径は、例えば、第一端部材１６ａ及び第二端部材１６ｂの外側筒部１６ｅの内径と外径との間の値を有する。スラストリング７０の半径方向における内側の端部は、第一排出管６３ａ又は第二排出管６３ｂと周方向において重なっている。例えば、複数の分離膜エレメント１０に端板８ｂに向かってスラスト荷重が働くと、第二排出管６３ｂ及びスラストリング７０がこのスラスト荷重を受ける。例えば、原水が第一供給口３１を通過して圧力容器１の内部に供給されると、このようなスラスト荷重が発生する。一方、複数の分離膜エレメント１０に端板８ａに向かってスラスト荷重が働くと、第一排出管６３ａ及びスラストリング７０がこのスラスト荷重を受ける。例えば、原水が第二供給口３２を通過して圧力容器１の内部に供給されると、このようなスラスト荷重が発生する。

分離膜モジュール１００を用いて、例えば、ろ過システム２００を構成できる。図６に示す通り、ろ過システム２００は、分離膜モジュール１００と、少なくとも１つのバルブとを備える。このバルブは、原水が第一供給口３１を通過して圧力容器１の内部に供給される第一モードと、原水が第二供給口３２を通過して圧力容器１の内部に供給される第二モードとを切り換えるためのものである。ろ過システム２００は、このようなバルブとして、例えば、三方弁５１、５２、及び５３を備えている。

ろ過システム２００は、例えば、流路５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、流路５０ｇ、及び流路５０ｈをさらに備えている。また、ろ過システム２００は、ポンプ１２０をさらに備えている。ポンプ１２０は、分離膜モジュール１００に向かって原水を圧送する。ポンプ１２０は、流路５０ａに配置されている。流路５０ａは、三方弁５１に接続されている。流路５０ｂは、三方弁５１及び三方弁５２に接続されている。流路５０ｃは、三方弁５２及び第一供給口３１に接続されている。流路５０ｄは、第二供給口３２及び三方弁５３に接続されている。流路５０ｅは、三方弁５３に接続され、ろ過システム２００の外部に向かって延びている。流路５０ｆは、三方弁５１及び三方弁５３に接続されている。流路５０ｇは、三方弁５２及び流路５０ｅに接続されている。流路５０ｈは、第一排出管６３ａ及び第二排出管６３ｂに接続されている。

ろ過システム２００の運転の一例について説明する。第一モードにおいて、ポンプ１２０によって圧送された原水は、三方弁５１、流路５０ｂ、三方弁５２、流路５０ｃ、及び第一供給口３１をこの順番で通過して、分離膜モジュール１００の内部に供給される。一方、濃縮された原水は、第二供給口３２、流路５０ｄ、三方弁５３、及び流路５０ｅをこの順番で通過して、ろ過システム２００の外部に導かれる。このとき、分離膜モジュール１００の内部において、原水は、第一供給口３１から第二供給口３２に流れる。図６における実線の矢印は第一モードにおける原水の流れ方向を示す。

第二モードにおいて、ポンプ１２０から圧送された原水は、三方弁５１、流路５０ｆ、三方弁５３、流路５０ｄ、及び第二供給口３２をこの順番で通過して、分離膜モジュール１００の内部に供給される。一方、濃縮された原水は、第一供給口３１、流路５０ｃ、三方弁５２、流路５０ｇ、及び流路５０ｅをこの順番で通過して、ろ過システム２００の外部に導かれる。このとき、分離膜モジュール１００の内部において、原水は、第二供給口３２から第一供給口３１に流れる。図６における破線の矢印は第二モードにおける原水の流れ方向を示す。

ろ過システム２００は、例えば、制御器１５０をさらに備えている。制御器１５０は、第一モードと第二モードとを切り換えるための少なくとも１つのバルブの作動を制御する。このとき、制御器１５０は、第一モードの継続時間Ｔ１に対する第二モードの継続時間Ｔ２の比（Ｔ１／Ｔ２）が０．５〜１．５となるように、少なくとも１つのバルブの作動を制御する。Ｔ１／Ｔ２は、０．８〜１．２であってもよい。例えば、制御器１５０は、三方弁５１、５２、及び５３の作動を制御する。これにより、分離膜モジュール１００における各分離膜エレメント１０の膜負荷のばらつきを抑制しやすい。第一モードの継続時間Ｔ１は、原水のＴＤＳ濃度等によって変動しうる。第一モードの継続時間Ｔ１は、例えば、１〜７２時間である。

第一モードと第二モードとを切り換えるとき、必要に応じて、第一モードと第二モードとの間の期間において中間的な運転モードでろ過システム２００が運転されうる。例えば、中間的な運転モードにおいて、ろ過システム２００の圧力が通常の運転圧力から低下するようにろ過システム２００が運転される。中間的な運転モードには、フラッシングのための運転モードも含まれうる。

ろ過システム２００が第一モードで運転されるとき、複数の分離膜エレメント１０のうち第一供給口３１に最も近い分離膜エレメント１０の付近では、図７Ａに示すように原水が流れる。原水の圧力により、第一シール部材１７ａが圧力容器１の内周面１ａに密着し、大部分の原水の流れが遮られる。一方、第一シール部材１７ａの穴１７ｈを通過した原水が分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。分離膜エレメント１０の内部に導かれた原水は、積層体１５を通って濃縮される。濃縮された原水の一部は、端面溝部１６ｋを通って、分離膜エレメント１０と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。このとき、濃縮された原水は、第二シール部材１７ｂの穴１７ｈを通過して分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。また、濃縮された原水は、隣の分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａの穴１７ｈを通過して分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。これにより、分離膜エレメント１０の内部の圧力と、分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間における圧力との差が大きくなることが抑制され、分離膜エレメント１０が適切に保護される。なお、穴１７ｈを通過する原水の流量は、第一供給口３１における原水の流量に比べて圧倒的に少ない。

ろ過システム２００が第二モードで運転されるとき、複数の分離膜エレメント１０のうち第二供給口３２に最も近い分離膜エレメント１０の付近では、図７Ｂに示すように原水が流れる。原水の圧力により、第二シール部材１７ｂが圧力容器１の内周面１ａに密着し、大部分の原水の流れが遮られる。一方、第二シール部材１７ｂの穴１７ｈを通過した原水が分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。分離膜エレメント１０の内部に導かれた原水は、積層体１５を通って濃縮される。濃縮された原水の一部は、端面溝部１６ｋを通って、分離膜エレメント１０と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。このとき、濃縮された原水は、第一シール部材１７ａの穴１７ｈを通過して分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。また、濃縮された原水は、隣の分離膜エレメント１０の第二シール部材１７ｂの穴１７ｈを通過して分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間に導かれる。これにより、分離膜エレメント１０の内部の圧力と、分離膜エレメント１０の外周面と圧力容器１の内周面１ａとの間の隙間における圧力との差が大きくなることが抑制され、分離膜エレメント１０が適切に保護される。なお、穴１７ｈを通過する原水の流量は、第二供給口３２における原水の流量に比べて圧倒的に少ない。

このように、分離膜エレメント１０によれば、ろ過システム２００が第一モード及び第二モードのいずれで運転される場合でも、分離膜エレメント１０を適切に保護できる。

複数の分離膜エレメント１０のうち第一供給口３１に最も近い分離膜エレメント１０において、第一シール部材１７ａがＵ字状の断面を有するシール部材である場合、第一シール部材１７ａは液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間を有していなくてもよい。この場合、第一モードにおいて、ほぼ全ての原水が分離膜エレメント１０の内部に導かれ、分離膜エレメント１０の内部を通過する原水の流速が保たれ、膜面近傍での濃度分極の悪化を抑えることができ、透過水量及び透過水の水質が維持される。その結果、分離膜モジュール１００における性能が高く保たれやすい。一方、複数の分離膜エレメント１０のうち第二供給口３２に最も近い分離膜エレメント１０において、第二シール部材１７ｂがＵ字状の断面を有するシール部材である場合、第二シール部材１７ｂは液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間を有していなくてもよい。この場合、第二モードにおいて、ほぼ全ての原水が分離膜エレメント１０の内部に導かれ、分離膜エレメント１０の内部を通過する原水の流速が保たれ、膜面近傍での濃度分極の悪化を抑えることができ、透過水量及び透過水の水質が維持される。その結果、分離膜モジュール１００における性能が高く保たれやすい。

例えば、分離膜モジュール１００において、各分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂがＵ字状の断面を有するシール部材である場合、各分離膜エレメント１０の第一シール部材１７ａ及び第二シール部材１７ｂのいずれか一方のみは、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間を有していなくてもよい。各分離膜エレメント１０において、第一シール部材１７ａは、第二シール部材１７ｂよりも第一供給口３１に近い位置に配置され、第二シール部材１７ｂは、第一シール部材１７ａよりも第二供給口３２に近い位置に配置される。この場合、第一モードにおける分離膜モジュール１００の性能の低下の度合いと、第二モードにおける分離膜モジュール１００の性能の低下の度合いは異なりうる。

分離膜エレメント１０、分離膜モジュール１００、及びろ過システム２００は、高いＴＤＳ濃度（例えば、質量濃度で３００００ｐｐｍ以上の濃度）を有する原水を処理するのに適している。分離膜エレメント１０を用いた分離膜モジュール１００の運転圧力は、例えば、５〜１５ＭＰａである。「運転圧力」とは、分離膜モジュール１００の入口近傍において、原水に加えられた圧力を意味する。分離膜モジュール１００の入口近傍は、例えば、原水の流れ方向において最も上流側に位置している分離膜エレメント１０と第一供給口３１又は第二供給口３２との間の空間である。

１ 圧力容器
１０ 分離膜エレメント
１１ 集水管
１２ 分離膜
１６ａ 第一端部材
１６ｂ 第二端部材
１７ａ 第一シール部材
１７ｂ 第二シール部材
１７ｈ 穴
１６ｋ 端面溝部
３１ 第一供給口
３２ 第二供給口
５１〜５３ バルブ
１５０ 制御器
２００ ろ過システム

Claims (9)

1. 集水管と、
   前記集水管に巻きつけられた分離膜と、
   前記集水管の軸線方向における前記分離膜の一方の端を覆う第一端部材と、
   前記集水管の軸線方向における前記分離膜の他方の端を覆う第二端部材と、
   前記第一端部材の外周に取り付けられた環状の第一シール部材と、
   前記第二端部材の外周に取り付けられた環状の第二シール部材と、を備え、
   前記軸線方向において原水の流れを逆方向に切り換え可能なろ過システムに用いられ、
   前記第一シール部材及び前記第二シール部材の少なくとも１つは、前記集水管の軸線方向において液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する、
   分離膜エレメント。
2. 前記第一シール部材及び前記第二シール部材は、前記集水管の軸線方向において、液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する、請求項１に記載の分離膜エレメント。
3. 前記第一シール部材及び前記第二シール部材は、円状、楕円状、四角形状、Ｖ字状、Ｕ字状、及びＸ字状の断面を有するシール部材並びにスプリットリング状のシール部材からなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項１又は２に記載の分離膜エレメント。
4. 前記第一端部材及び前記第二端部材の少なくとも１つは、前記軸線方向において前記分離膜に近い端部に対し反対側の端部に形成された環状の端面を有し、かつ、前記環状の端面の内周から外周まで延びている端面溝部を有する、請求項１又は２に記載の分離膜エレメント。
5. 圧力容器と、
   前記圧力容器の内部に配置された複数の請求項１〜４のいずれか１項に記載の分離膜エレメントと、
   前記分離膜エレメントの前記集水管の軸線方向において前記圧力容器の一方の端部に位置し、原水を前記圧力容器の内部に導くための第一供給口と、
   前記分離膜エレメントの前記集水管の軸線方向において前記圧力容器の他方の端部に位置し、前記原水を前記圧力容器の内部に導くための第二供給口と、を備えた、
   分離膜モジュール。
6. 前記軸線方向において、前記複数の分離膜エレメントのうち前記第一供給口に最も近い前記分離膜エレメントの前記第一シール部材及び前記第二シール部材の少なくとも１つは、前記集水管の軸線方向において液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有し、
   前記軸線方向において、前記複数の分離膜エレメントのうち前記第二供給口に最も近い前記分離膜エレメントの前記第一シール部材及び前記第二シール部材の少なくとも１つは、前記集水管の軸線方向において液体が通過可能な穴、スリット、及び隙間からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する、
   請求項５に記載の分離膜モジュール。
7. 請求項５又は６に記載の分離膜モジュールと、
   前記原水が前記第一供給口を通過して前記圧力容器の内部に供給される第一モードと、前記原水が前記第二供給口を通過して前記圧力容器の内部に供給される第二モードとを切り換えるための少なくとも１つのバルブと、を備えた、
   ろ過システム。
8. 前記第一モードの継続時間に対する前記第二モードの継続時間の比が０．５〜１．５となるように前記少なくとも１つのバルブの作動を制御する、制御器をさらに備えた、請求項７に記載のろ過システム。
9. 前記分離膜モジュールの運転圧力は、５〜１５ＭＰａである、請求項８に記載のろ過システム。

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