JP2020175385A - 分離膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】高圧下の運転においても効率的かつ信頼性の高い分離操作が実現可能な、分離膜エレメントを提供すること。【解決手段】本発明は、集水管と、分離膜リーフと、を備え、上記集水管の周囲に、上記分離膜リーフが巻囲されており、上記分離膜リーフは、分離膜の面Ａ１と、分離膜の面Ａ２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間に配置された、流路材と、からなり、上記流路材は、シート状基材と、該シート状基材の表面に形成された、複数の突起物と、からなり、上記集水管の長手方向における、上記分離膜リーフの断面Ｚにおける上記突起物の断面Ｓについて、上記集水管の長手方向における最大距離をＳｗ、上記面Ａ１と上記面Ａ２との対向方向における最大距離をＳＨ、としたとき、ＳＨ／Ｓｗの値が、１．０〜４．６である、分離膜エレメントを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、分離膜エレメントに関する。

海水及びかん水等に含まれるイオン性物質を除くための技術においては、近年、省エネルギー及び省資源のためのプロセスとして、分離膜エレメントによる分離法の利用が拡大している。分離膜エレメントによる分離法に使用される分離膜は、その孔径や分離機能の点から、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、正浸透膜に分類される。これらの分離膜は、例えば海水、かん水及び有害物を含んだ水等からの飲料水の製造、工業用超純水の製造、並びに、排水処理及び有価物の回収等に用いられており、目的とする分離成分及び分離性能によって使い分けられている。

分離膜エレメントとしては様々な形態があるが、分離膜の一方の面に原水を供給し、他方の面から透過水を得る点では共通している。分離膜エレメントは、束ねられた多数の分離膜を備えることで、１個の分離膜エレメント当たりの膜面積が大きくなるように、つまり１個の分離膜エレメント当たりに得られる透過水の量が大きくなるように形成されている。分離膜エレメントとしては、用途や目的に合わせて、スパイラル型、中空糸型、プレート・アンド・フレーム型、回転平膜型又は平膜集積型等の各種の形状が提案されている。

例えば、逆浸透ろ過には、スパイラル型分離膜エレメントが広く用いられる。スパイラル型分離膜エレメントは、集水管と、集水管の周囲に巻囲された分離膜リーフとを備える。分離膜リーフは、原水に含まれる成分を分離する分離膜と、原水を分離膜表面へ供給する供給側流路材、及び／又は、分離膜を透過し原水から分離された透過水を集水管へと導くための透過側流路材とが、積層されることで形成される。スパイラル型分離膜エレメントは、原水に高い圧力を付与することができるので、透過水を多く取り出すことができる点で好ましく用いられている。

しかし原水に高い圧力を付与すると、分離膜を支持する透過側流路材にも応力が負荷されるばかりでなく、透過側流路材の間に分離膜が落ち込み、透過側流路が閉塞するといった問題が生じる。このような問題を抑制すべく、透過側流路材を複数配置して透過側流路を広げる（特許文献１）、又は、分離膜と透過側流路材との間に平滑シートを挟み込む（特許文献２）、といった技術が考案されている。

特表２０１５−０６４７５２号公報 特開平０９−１４１０６７号公報

しかしながら、従来の技術では、高圧下の運転における信頼性は未だ十分でなく、透過側流路の閉塞が顕在化するリスクが払拭されていないのが現状であった。

そこで本発明は、高圧下の運転においても効率的かつ信頼性の高い分離操作が実現可能な、分離膜エレメントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、集水管と、分離膜リーフと、を備え、上記集水管の周囲に、上記分離膜リーフが巻囲されており、上記分離膜リーフは、分離膜の面Ａ_１と、分離膜の面Ａ_２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、上記面Ａ_１と上記面Ａ_２との間に配置された、流路材と、からなり、上記流路材は、シート状基材と、該シート状基材の表面に形成された、複数の突起物と、からなり、上記集水管の長手方向における、上記分離膜リーフの断面Ｚにおける上記突起物の断面Ｓについて、上記集水管の長手方向における最大距離をＳ_ｗ、上記面Ａ_１と上記面Ａ_２との対向方向における最大距離をＳ_ｈ、としたとき、Ｓ_ｈ／Ｓ_ｗの値が、１．０〜４．６である、分離膜エレメントを提供する。

本発明によれば、高圧下運転を実現するために透過側流路の幅を狭小化したとしても、流動抵抗の低減を図ることが可能となり、効率的かつ信頼性の高い分離操作を達成することができる。

本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフの、集水管の長手方向における断面の一態様を示す模式図である。 本発明の分離膜エレメントが備える、流路材の一態様を示す模式図である。 本発明の分離膜エレメントが備える、流路材の他の態様を示す模式図である。 本発明の分離膜エレメントの一態様を示す、展開斜視図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。

本発明の分離膜エレメントは、集水管と、分離膜リーフと、を備え、上記集水管の周囲に、上記分離膜リーフが巻囲されている。

図４は、本発明の分離膜エレメントの一態様を示す、展開斜視図である。図２における分離膜エレメント５では、集水管４の周囲に、流路材である供給側流路材１、分離膜２及び透過側流路材３が積層された、分離膜リーフが巻囲されている。

本発明の分離膜エレメントが備える集水管は、中空の筒状部材であり、その側面に複数の孔を有している。集水管の素材としては、例えば、樹脂又は金属が挙げられるが、コストや耐久性に優れるため、ノリル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂又はＡＢＳ樹脂等の樹脂が好ましい。

本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフは、分離膜の面Ａ_１と、分離膜の面Ａ_２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、上記面Ａ_１と上記面Ａ_２との間に配置された、流路材と、からなる。

本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成する分離膜は、分離対象に応じてその種類を適宜選択すればよく、例えば、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜又は精密ろ過膜が挙げられるが、例えば逆浸透膜としては、基材と、多孔性支持体と、分離機能層とを備える、複合半透膜が挙げられる。

上記の基材としては、例えば、ポリエステル又は芳香族ポリアミドを主成分とする布帛が挙げられる。

上記の多孔性支持体としては、例えば、基材上に形成された、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリエステル、セルロース系ポリマー、ビニルポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン又はポリフェニレンオキシド等の高分子層が挙げられる。

上記の分離機能層としては、例えば、イオン等の分離が十分行なえるほど緻密であり、かつ、水との親和性が高い、ポリアミドを主成分とする分離機能層が挙げられる。ポリアミドを主成分とする分離機能層は、例えば、多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との界面重縮合により形成することができる。

上記の分離膜対は、互いに独立した２枚の分離膜を組み合わせて形成しても構わないし、１枚の分離膜を折り畳んで形成しても構わないし、あるいは、１枚の分離膜を巻囲する際に、分離膜の面Ａ_１と、分離膜の面Ａ_２とを、互いに対向させながら巻囲して形成しても構わない。

本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成する流路材は、上記面Ａ_１と上記面Ａ_２との間に、挟まれるように配置される。流路材を挟んだ分離膜の端部同士は、適宜封止される。その「封止」の方法としては、例えば、接着剤若しくはホットメルト等による接着、加熱若しくはレーザ等による融着、又は、ゴム製シートを挟みこむ方法が挙げられるが、簡便な接着による封止が好ましい。

流路材は、上記面Ａ_１と上記面Ａ_２との間隙に形成される流路における、いわゆる供給側流路材又は透過側流路材としての機能を果たすものである。

本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成する流路材は、シート状基材と、該シート状基材の表面に形成された、複数の突起物と、からなり、集水管の長手方向における、分離膜リーフの断面Ｚにおける突起物の断面Ｓについて、集水管の長手方向における最大距離をＳ_ｗ、面Ａ_１と面Ａ_２との対向方向における最大距離をＳ_ｈ、としたとき、Ｓ_ｈ／Ｓ_ｗの値が、１．０〜４．６であることが必要となる。このように、突起物の幅に対する高さの比を従来よりも高めることで、隣接する突起物同士の間隔を狭めても、十分な流路容積を確保することができ、透過水等の流動抵抗を抑制することが可能となる。より効率的な運転を実現するため、Ｓ_ｈ／Ｓ_ｗの値は２．５〜４．６が好ましい。なおＳ_ｗの値は、高圧下でも突起物の形状を維持するため、０．０５〜１．００ｍｍが好ましく、０．３０〜０．７０ｍｍがより好ましい。

また隣接する突起物同士の間隔は、より効率的な運転を実現しつつ、さらに流路材の間への分離膜の落ち込みを効果的に抑止するため、０．３〜１．０であることが好ましい。より具体的には、分離膜リーフの断面Ｚにおける、一の突起物の上記断面Ｓと、該突起物に隣接する突起物の断面と、の間の、上記集水管の長手方向における最大距離をＳ_ｐ、としたときの、Ｓ_ｐ／Ｓ_ｗの値は、０．３〜１．０であることが好ましく、０．３〜０．６がより好ましい。なおＳ_ｐの値は、流路として適度な空間を保持するため、０．０２〜０．８０ｍｍが好ましい。

Ｓ_ｈ及びＳ_ｗは、分離膜対の面Ａ_１と面Ａ_２との間に配置された流路材を、分離膜対ごと集水管の長手方向に切断し、図１にその一態様を例示するように露出した断面である「断面Ｚ」を、マイクロスコープで観察して測定することができる。

より具体的には、露出した断面Ｚにおいて無作為に選択した３０個の突起物の断面Ｓについて、集水管の長手方向における最大距離と、面Ａ_１と面Ａ_２との対向方向における最大距離とをマイクロスコープで観察して測定する作業を繰り返し、それぞれの平均値をＳ_ｈ及びＳ_ｗとすることができる。

またＳ_ｐも、Ｓ_ｈ及びＳ_ｗと同様に測定することができる。

分離膜対の面Ａ_１と面Ａ_２との間に配置される流路材の、シート状基材上に形成される突起物の態様としては、例えば、図２に示すようなドット状、又は、図３に示すようなストライプ状が挙げられる。図２又は図３に例示される流路材の厚みＨ０は、流路材をマイクロスコープで観察して測定することができる。なお上記の流路材の厚みＨ０は、上記面Ａ_１と上記面Ａ_２との対向方向における厚みである。

本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成する流路材の表面（シート状基材の表面）に突起物を形成する方法としては、例えば、溶融した樹脂をシート状の不織布の表面に所定形状に吐出して凝固させる方法が挙げられる。また、不織布やフィルム等の表面を、エンボス加工又はインプリント加工により凹凸成形して、突起物を形成しても構わない。突起物の素材としては、例えば、熱可塑性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、金属等が挙げられるが、成形が容易なＵＶ硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂が好ましい。

高圧下において流路材の間に分離膜が落ち込み、分離膜が損傷する、あるいは、透過側流路が閉塞するといった問題は、特に透過側流路において起こりやすいため、上記面Ａ_１及び上記面Ａ_２が、透過側の面である場合において、本発明の分離膜エレメントはより好適にその効果を発揮することができる。

上記面Ａ_１及び上記面Ａ_２が、透過側の面である場合においては、供給側流路に配置される流路材として、例えば、ネット、凹凸シート、又は、分離膜の供給側の面に直接固着した突起物を配置しても構わない。またそのような材料の素材としては、成形が容易な熱可塑性樹脂が好ましく、安価でかつ分離膜の損傷を引き起こしづらい、ポリエチレン又はポリプロピレンがより好ましい。

また上記面Ａ_１及び上記面Ａ_２が、透過側の面である場合においては、透過側流路の流動抵抗を大幅に抑制可能であることから、供給側流路の厚み（供給側流路材の厚み）を薄くしても、分離膜エレメントの造水量を高い水準に維持可能であり、分離膜に充填可能な分離膜リーフの数、すなわち、１個の分離膜エレメント当たりの膜面積を大きくすることができる。

（分離膜の透過側面への突起の固着）
溶融した樹脂を、分離膜の透過側面に所定形状に吐出して凝固させてもよい。この場合、シート状材料が不要であるため、シート状材料厚みの分だけ突起を高くすることができ、透過側流路を広げてエレメントの造水性を更に向上させることができる。つまり、分離膜の面Ａ_１に突起物が形成されていれば、上記面Ａ_１及び分離膜の面Ａ_２の間にはシート状材料を配さずとも流路を安定に確保され、造水性を高めることができる。

なお、上記面Ａ_１及び上記面Ａ_２のいずれにも突起物が形成されていてもよいが、上記面Ａ_１または分離膜の面Ａ_２のいずれかに突起物が形成されている場合の方が、流動抵抗が低くなる傾向にあるため好ましい。

以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。

（流路材の形状）
マイクロスコープとしては、キーエンス社製の高精度形状測定システムであるＫＳ−１１００を用いた。

（造水量）
分離膜エレメントについて、原水として３．２質量％、ｐＨ６．５のＮａＣｌ水溶液を用い、運転圧力５．５ＭＰａ、温度２５℃の条件下で１５分間運転した後に１分間の透過水のサンプリングを行い、そのサンプリング量を１日当たりの透過水量（ガロン）に換算して、造水量（ＧＰＤ（ガロン／日））として表した。

（回収率）
造水量の測定において、所定の時間に供給した原水量Ｖ_Ｆとし、同時間での透過水量をＶ_Ｐとして、Ｖ_Ｐ／Ｖ_Ｆ×１００の値を算出して回収率とした。

（ＴＤＳ除去率）
造水量の測定における１分間のサンプリングに供した原水及びサンプリングした透過水について、総溶解固形分（以下、「ＴＤＳ」）の濃度を伝導率測定によりそれぞれ測定し、下記式からＴＤＳ除去率を算出した。

ＴＤＳ除去率（％）＝１００×｛１−（透過水中のＴＤＳ濃度／原水中のＴＤＳ濃度）｝
（透過側流路材の作製）
金型（モールド）の凹部にＵＶ硬化性樹脂（日立化成製；エルフォート１０００）を充填し、ＵＶ硬化性樹脂の推奨硬化条件に従ってＵＶ照射を行いながら、不織布（厚み０．０５ｍｍ、目付量２５ｇ／ｍ^２、エンボス柄（φ１ｍｍの円形、ピッチ５ｍｍの格子状））に転写し、さらにＵＶ照射を継続して完全硬化させた。得られた透過側流路材の形状は、表１のとおりであった。

（実施例１）
抄紙法で製造されたポリエステル繊維からなる不織布（通気度１．０ｃｃ／ｃｍ^２／ｓｅｃ）上に、ポリスルホンの１５質量％ジメチルホルムアミド溶液を１８０μｍの厚みで室温（２５℃）にてキャストし、直ちに純水中に浸漬して５分間放置し、基材上に多孔性支持層が形成された多孔性支持体を作製した。

多孔性支持体を、２−エチルピペラジンが２．０質量％、ドデシルジフェニルエーテルジスルホン酸ナトリウムが１００ｐｐｍ、リン酸３ナトリウムが１．０質量％になるようにそれぞれ溶解した水溶液に１０秒間浸漬した後、エアーノズルから窒素を吹き付けて多孔性支持体の表面から余分な水溶液を除去した。続いて、７０℃に加温した、トリメシン酸クロリドの０．２質量％ｎ−デカン溶液を多孔性支持体の表面に均一に塗布し、６０℃の膜面温度で３秒間保持した後に、膜面温度を１０℃まで冷却し、そのまま空気雰囲気下で１分間放置して分離機能層を形成した後、これを垂直に保持して液切りした。得られた分離膜は、６０℃の純水で２分間洗浄した。

このように得られた分離膜を裁断して、供給側の面同士が内側になるように折り畳み、その間へネット（厚み０．３ｍｍ、ピッチ１．１ｍｍ×１．１ｍｍ）を供給側流路材として配置した。この分離膜（折り畳み後の長さ１４００ｍｍ×幅２３０ｍｍ）の表面（透過側の面）に、透過側流路材として表１（図３）に示す流路材を配置した。

これをステンレス製集水管（幅：３５０ｍｍ、径：１８ｍｍ、孔数１０個×直線状１列）に、スパイラル状に巻囲し、最後に両端のエッジカットを行って、径が２インチ、有効膜面積が０．５５ｍ^２の分離膜エレメントを作製した。

作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、回収率２５％の条件で造水量及びＴＤＳ除去率をそれぞれ評価したところ、結果は表１のとおりであった。

（実施例２〜８）
流路材を表１のとおりにした以外は全て実施例１と同様にして、分離膜エレメントを作製した。

作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、実施例１と同条件で評価したところ、結果は表１のとおりであった。

（実施例９）
透過側流路材としてシート状材料を用いず、分離膜の透過側の面に設け、突起物の高さを０．３ｍｍにしたこと以外は全て実施例１と同様にして、分離膜エレメントを作製した。

作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、実施例１と同条件で評価したところ、結果は表１のとおりであった。

（比較例１〜３）
流路材を表１のとおりにした以外は全て実施例１と同様にして、分離膜エレメントを作製した。

作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、上述の条件で評価したところ、結果は表１のとおりであった。

比較例１〜３では、Ｓ_ｈ／Ｓ_ｗの値が本発明の範囲外であり、透過側流路が狭く高流動抵抗となり造水量が大幅に低下した。

本発明の分離膜エレメントは、海水、かん水及び水道水の脱塩の他に、工業用水の処理等に好適に用いることができる。

１ 供給側流路材
２ 分離膜
３ 透過側流路材
４ 集水管
５ 分離膜エレメント
６ 突起物
８ 流路材
Ｚ 分離膜リーフの断面
Ｓ 流路材の断面
Ｈ０ 流路材の厚み
Ｓ_ｗ 断面Ｓの、集水管の長手方向における最大距離
Ｓ_ｈ 断面Ｓの、面Ａ_１と面Ａ_２との対向方向における最大距離
Ｓ_ｐ 断面Ｓと、それに隣接する突起物の断面との間の、集水管の長手方向における最大距離
Ｘ 突起物の長さ

Claims (3)

1. 集水管と、分離膜リーフと、を備え、
   前記集水管の周囲に、前記分離膜リーフが巻囲されており、
   前記分離膜リーフは、分離膜の面Ａ_１と、分離膜の面Ａ_２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、前記面Ａ_１と前記面Ａ_２との間に配置された、流路材と、からなり、
   前記流路材は、シート状基材と、該シート状基材の表面に形成された、複数の突起物と、からなり、
   前記集水管の長手方向における、前記分離膜リーフの断面Ｚにおける前記突起物の断面Ｓについて、前記集水管の長手方向における最大距離をＳ_ｗ、前記面Ａ_１と前記面Ａ_２との対向方向における最大距離をＳ_ｈ、としたとき、Ｓ_ｈ／Ｓ_ｗの値が、１．０〜４．６である、分離膜エレメント。
2. 前記断面Ｚにおける、一の突起物の前記断面Ｓと、該突起物に隣接する突起物の断面と、の間の、前記集水管の長手方向における最大距離をＳ_ｐ、としたとき、Ｓ_ｐ／Ｓ_ｗの値が、０．３〜１．０である、請求項１記載の分離膜エレメント。
3. 集水管と、分離膜リーフと、を備え、
   前記集水管の周囲に、前記分離膜リーフが巻囲されており、
   前記分離膜リーフは、突起物が形成された分離膜の面Ａ_１と、平滑な分離膜の面Ａ_２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対からなり、
   前記集水管の長手方向における、前記分離膜リーフの断面Ｚにおける前記突起物の断面Ｓについて、前記集水管の長手方向における最大距離をＳ_ｗ、前記面Ａ_１と前記面Ａ_２との対向方向における最大距離をＳ_ｈ、としたとき、Ｓ_ｈ／Ｓ_ｗの値が、１．０〜４．６である、分離膜エレメント。
   
   

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