JP3317753B2

JP3317753B2 - 膜分離装置及び膜モジュール

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Publication number: JP3317753B2
Application number: JP21529393A
Authority: JP
Inventors: 和久熊見; 智暢阿瀬
Original assignee: Daicel Chemical Industries Ltd
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 2002-08-26
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Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体や液体を分離する
上で有用な膜分離装置及び膜モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、河川水や湖水の濾過、海水の淡水
化、原子力復水の瀘過、透析水の精製、血液瀘過、人工
透析、製薬用水や半導体用水の精製、果汁の濃縮や清浄
化、酵素や菌体の濃縮および濾過、し尿や排液の濾過、
ガス分離濃縮、液体の脱気、液液抽出、有機溶媒の回収
など様々な分野において、膜の透過性を利用した膜分離
が行われている。これらの膜分離には、通常、中空糸
型、スパイラル型、チューブ型、プリーツ型、プレート
・アンド・フレーム型などの膜モジュールを備えた膜分
離装置が用いられる。

【０００３】一方、膜分離において、膜の破断などの事
故が生じると、膜の供給側から被処理流体がリークし、
未処理のまま膜の透過側へ流入する。特に、汚染された
被処理流体や粒状物を含む被処理流体を処理する場合に
は、透過成分の汚染が著しい。また、膜分離により濃縮
成分を利用する場合には、所定の膜分離効率を維持でき
ず、濃縮度が低下する。

【０００４】この為、分離膜自体の耐久性を向上させる
ことが試みられているが、特に被処理流体を加圧して供
給する内圧方式などにおいては、十分な耐久性を有する
分離膜は得られていない。また、膜自体の欠陥ではな
く、装置上のトラブルや、膜モジュールの前段で行われ
る前処理などに起因して膜が損傷し、リークを引き起こ
すこともある。

【０００５】そこで、膜分離装置全体として、リークを
伴うトラブルを速やかに検知し、装置の運転を制御する
必要が生じる。この様な膜モジュールからのリークを検
知する方法としては、例えば、（１）透過液の濁度によ
って検知する方法や、（２）透過液の微粒子数によって
検知する方法などが提案されている。しかしながら、こ
れらの方法は、いずれも、迅速な検出が困難であるとと
もに、濁度や微粒子数の検出方法は、清澄な被処理流体
には適用できない。そのため、適用できる被処理流体の
種類及び装置の用途が限定される。また、検出機器が高
価で装置のコスト高を招く。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、分離膜が損傷したとしても、透過成分の汚染や濃縮
成分の濃縮率の低下を抑制できると共に、被処理流体の
種類に拘わらずトラブルを効率よく検出し、運転を制御
することができる膜分離装置及び膜モジュールを提供す
ることにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、安価で種々の
用途に適用することのできる膜分離装置及び膜モジュー
ルを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、種々検討
した結果、分離膜の透過側に、特定の分離能を有する第
二の分離膜を配すると共に、被処理流体の圧力又は流量
を検出する手段を設けることによって、前記目的を達成
できることを見いだし、本発明を完成した。

【０００９】すなわち、本発明の膜分離装置は、被処理
流体を分離するための第一の分離膜と、第一の分離膜よ
りも大きな平均孔径を有し、第一の分離膜から透過した
流体が通過可能な第二の分離膜と、この第二の分離膜の
供給側及び／又は透過側の圧力又は流量を検出する手段
と、この検出手段からの検出信号に応答して、第一の分
離膜及び／又は第二の分離膜への流体の供給を制御する
制御手段とで構成されている膜分離装置であって、第一
の分離膜と第二の分離膜とがケーシング内に配設されて
モジュールを構成しており、このケーシングに前記検出
手段が装着され、前記ケーシングが、被処理流体を供給
する供給口と、第一の分離膜を透過しなかった成分を流
出させるための流出口と、第二の分離膜を透過した成分
を流出させるための流出口とを備えている。

【００１０】また、本発明の膜モジュールは、被処理流
体を分離するための第一の分離膜と、第一の分離膜より
も大きな平均孔径を有し、第一の分離膜から透過した流
体が通過可能な第二の分離膜と、この第二の分離膜の供
給側及び／又は透過側の圧力又は流量を検出する手段と
を備えている膜モジュールであって、第一の分離膜と第
二の分離膜とがケーシング内に配設され、このケーシン
グに前記検出手段が装着され、前記ケーシングが、被処
理流体を供給する供給口と、第一の分離膜を透過しなか
った成分を流出させるための流出口と、第二の分離膜を
透過した成分を流出させるための流出口とを備えてい
る。

【００１１】本明細書において、「平均孔径」とは、透
過成分のサイズに対応する平均径を意味する。例えば、
精密瀘過膜の場合、透過成分のサイズは平均孔径で表わ
すことができる。一方、例えば、限外瀘過膜や逆浸透膜
においては、孔径の測定が困難であるので、具体的に
は、限外瀘過膜の場合、透過成分のサイズは、通常分画
分子量で表わされ、また、逆浸透膜の場合、通常、食塩
排除率（食塩除去率）で表わされる。従って、本明細書
では、例えば、限外瀘過膜における分画分子量や逆浸透
膜における食塩排除率という透過成分のサイズを表わす
表現を含めて、便宜的に「平均孔径」という語を用い
る。

【００１２】

【作用】前記膜分離装置や膜モジュールにおいては、第
二の分離膜又は分離膜エレメント（以下、分離膜又は分
離膜エレメントを総称して単に分離膜と称することがあ
る）の分離能が重要な役割を果たす。即ち、被処理流体
がリークしない通常の状態では、被処理流体は第一の分
離膜によって分離され、その透過した流体の少なくとも
一部が第二の分離膜に供給される。第二の分離膜は、第
一の分離膜よりも平均孔径が大きいため、前記流体は実
質的に分離されず、瀘過分離時に生じる圧力損失は小さ
い。

【００１３】しかし、万一、第一の分離膜が損傷した際
には、その透過側に設けられた第二の分離膜は、特定の
大きさの成分が透過するのを規制する。すなわち、第一
の分離膜からリークした被処理流体中に含まれる特定の
大きさ以上の成分は、第二の分離膜により透過が規制さ
れるので、透過成分の汚染を抑制でき、トラブルによる
被害を最小限に止めることができる。

【００１４】また、第二の分離膜による流体の瀘過分離
に伴なって圧力損失が生じる。すなわち、第二の分離膜
により流体を瀘過分離する際には、第二の分離膜の孔径
に応じた圧力損失と、透過が規制された成分が第二の分
離膜の孔を閉塞することによる圧力損失とが生じる。こ
のため、第一の分離膜から被処理流体がリークすると、
第二の分離膜において、供給側と透過側とで流体の圧力
差及び流量差が生じる。例えば、第二の分離膜の供給側
においては、定常時に比較して被処理流体の圧力及び流
量が増大し、第二の分離膜の透過側においては、被処理
流体の圧力及び流量が低下する。このような被処理流体
の圧力又は流量の変動は、リークに伴うトラブルに対応
し、このトラブルは検出手段により速やかに検出され
る。即ち、圧力検出手段や流量検出手段は、濁度や粒子
数の検出器に比べ、検出感度が高いので、リークを迅速
に検出できる。また、圧力検出手段や流量検出手段は安
価であり、膜分離装置及び膜モジュールのコストが低く
抑えられる。

【００１５】そして、前記検出手段からの検出信号に応
答して、制御手段は、第一の分離膜及び／又は第二の分
離膜への流体の供給を制御するので、第一の分離膜から
のリークに対応して、透過成分の汚染、および濃縮成分
を利用する場合には濃縮度の低下を迅速に抑制できる。

【００１６】また、第二の分離膜の有効な膜面積が、第
一の分離膜の有効な膜面積の５０％以下である場合に
は、被処理流体中の固形粒子などの粗大成分が第二の分
離膜に迅速に蓄積され、通気又は通液性が大幅に低下す
る。そのため、透過成分の汚染を効率よく抑制できると
ともに、圧力の変化又は流量の変化の割合が大きくな
り、これらの検出がより確実かつ迅速に行える。尚、有
効な膜面積とは、実質的に通気又は通液性に関与する領
域を意味する。

【００１７】

【発明の構成】以下、添付図面を参照しつつ、本発明を
より詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の膜分離装置の一例を示す概
略図である。

【００１９】前記膜分離装置は、一段目の瀘過分離を司
る第一の分離膜１を備えた第一のモジュール２と、この
第一のモジュール２の透過側（二次側）に、接続ライン
５を介して接続され、かつ第二の分離膜３を備えた第二
のモジュール４とで構成されている。前記第二の分離膜
３は、第一の分離膜１よりも大きな平均孔径を有してい
る。前記第一のモジュール２の供給側（一次側）には、
貯溜槽６に貯溜された被処理流体を供給するためのポン
プ７を備えた供給ライン８が接続されているとともに、
第一の分離膜１を透過しなかった成分（濃縮液）は循環
ライン９を通じて貯溜槽６に循環される。

【００２０】前記第一のモジュール２の透過側と第二の
モジュール４の供給側とを接続する接続ライン５には、
流量を制御するための電磁バルブ１０が設けられ、この
電磁バルブの上流側の接続ライン５からは、貯溜槽６へ
至る返送ライン１１が分岐している。返送ライン１１に
は、電磁バルブ１２が設けられている。

【００２１】そして、前記接続ライン５には、前記電磁
バルブ１０，１２の開閉を制御するための圧力検出器１
３が設けられている。図２に示すように、圧力検出器１
３からの検出信号は、基準値Ｖｆと比較するための比較
回路１４に与えられる。基準値Ｖｆは、被処理流体がリ
ークしない通常の状態での圧力に対応して設定されてい
る。この比較回路１４は、圧力検出器１３からの検出値
Ｖが基準値Ｖｆを越えたとき（Ｖ＞Ｖｆ）、制御回路１
５のＡＮＤ回路１６に制御信号を与える。前記ＡＮＤ回
路１６には、ポンプ７の制御回路１８から、装置の作動
に伴う作動信号も与えられている。

【００２２】前記ＡＮＤ回路１６からの信号は、インバ
ータ１７を介して、前記接続ライン５の電磁バルブ１０
の開閉を制御するの駆動回路１９に与えられるととも
に、返送ライン１１の電磁バルブ１２の開閉を制御する
ための駆動回路２０にも与えられる。また、ＡＮＤ回路
１６からの信号は、前記ポンプ７の制御回路１８にも与
えられている。

【００２３】このような膜分離装置では、ポンプ７を作
動させて第一及び第二のモジュール２，４により被処理
流体を処理する際、定常運転時には、返送ライン１１の
バルブ１２を閉じ、接続ライン５のバルブ１０を開いて
運転し、第一のモジュール２を透過した成分は、接続ラ
イン５を通じて、第二のモジュール４に供給される。こ
のとき、第二の分離膜３は、被処理流体中の分離成分に
対する実質的な分離機能を有しないので、圧力損失を生
じさせることなく、前記透過成分は、第二の分離膜３を
透過して流出する。

【００２４】万一、リークが生じた場合は、第一の分離
膜１からリークする被処理流体中に含まれる特定の大き
さ以上の成分は、第二の分離膜３の分離能によって透過
が規制されるので、透過成分の汚染を抑制できる。ま
た、透過が規制された成分が、第二の分離膜３の孔を閉
塞し、第二の分離膜３の供給側の被処理流体の圧力が高
くなる。

【００２５】そして、圧力の増加、すなわち第一の分離
膜１からの被処理流体のリークを圧力検出器１３が検出
すると、制御回路１５は、前記比較回路１４からの制御
信号及びポンプ７からの作動信号に応答して、電磁バル
ブ１０，１２を開閉するための駆動回路１９、２０に駆
動信号を与え、接続ライン５の電磁バルブ１０を閉じ、
返送ライン１１の電磁バルブ１２を開く。また、ＡＮＤ
回路１６からの信号に応答して、ポンプの制御回路１８
はポンプ７の作動を停止させる。従って、第一の分離膜
１をリークした被処理流体が、第二の分離膜３の透過側
へ流入するのを抑制でき、透過成分の汚染が防止され
る。

【００２６】図３は本発明の膜分離装置の他の例を示す
概略図である。図３に示す装置においては、第一の分離
膜２１を備えた第一のモジュール２２の透過側と、第二
の分離膜２３を備えた第二のモジュール２４の供給側と
は接続ライン２５により接続され、この接続ライン２５
から分岐した流出ライン３１には、第二のモジュール２
４への流体の流量を制御するための電磁バルブ３０が設
けられている。そして、前記第二のモジュール２４の透
過側には、供給ライン２８に設けられたポンプ２７の作
動を制御するための流量検出器３３が設けられている。

【００２７】この例では、ポンプ２７の作動による定常
運転時には、流出ライン３１の電磁バルブ３０の開閉度
を調節し、前記第一の分離膜２１を透過した成分の一部
を接続ライン２５を介して第二のモジュール２４に供給
し、残部を流出ライン３１を通じて流出している。前記
第一の分離膜２１を透過しなかった成分は、循環ライン
２９を通じて貯溜槽２６に循環する。

【００２８】また、この装置の電気的構成は、以下の点
を除いて、図２に示す電気的構成と共通する。すなわ
ち、（１）図２の接続ライン５の電磁バルブ１０及び返
送ライン１１の電磁バルブ１２を、それぞれ開閉するた
めの駆動回路１９，２０を備えることなく、（２）流量
検出器３３による検出値Ｖが、通常運転時の流量に対応
して設定された基準値Ｖｆ未満（Ｖ＜Ｖｆ）となったと
き、比較回路１４は制御回路１５のＡＮＤ回路１６に制
御信号を与えるとともに、前記ＡＮＤ回路１６から制御
回路１８に前記ポンプ２７の作動を停止するための制御
信号が与えられる。なお、ポンプ２７の制御回路１８に
は、ＡＮＤ回路１６を経ることなく、比較回路１４から
制御信号を直接与えてもよい。

【００２９】このような装置では、例えば、貯溜槽２６
の被処理液を第一のモジュール２２で処理する際、万
一、第一の分離膜２１からリークが生じた場合、第二の
分離膜２３の孔の閉塞などに伴なって、第二のモジュー
ル２４の透過側の流体の流量が低下する。そのため、前
記と同様に、ＡＮＤ回路１６からの制御信号に応答し
て、ポンプの制御回路１８はポンプ２７の作動を停止さ
せる。

【００３０】本発明の膜分離装置においては、第一の分
離膜で透過された透過成分の少なくとも一部を第二の分
離膜に供給すればよい。例えば、図３に示す膜分離装置
において、前記のように、透過成分の一部を第二の分離
膜の分離に供し、透過成分の残部を、第二の分離膜を介
することなく系外に流出してもよく、前記透過成分の全
量を第二の分離膜に供給してもよい。

【００３１】なお、前記の例においては、分離膜を備え
た１つの第一及び第二のモジュールを直列に接続してい
るが、（１）直列に接続された複数の第一のモジュール
の間に、少なくとも１つの第二のモジュールを接続して
もよい。この場合には、第一の分離膜からリークした成
分が第二の分離膜を透過しても、第二の分離膜の下流側
に配された第一の分離膜により所定の成分を分離できる
ので、透過成分が汚染されることがない。

【００３２】また、（２）直列に接続された第一及び第
二のモジュールを並列に配設してもよい。この場合、そ
れぞれの第一のモジュールの供給側には、共通する供給
ラインを接続し、それぞれの第二のモジュールの透過側
には、共通する流出ラインを接続してもよい。このよう
な装置では、並列に配設された複数の第一の分離膜によ
り被処理流体を効率よく分離できるだけでなく、万一、
第一の分離膜から被処理流体がリークしたとしても、直
列に接続された第一及び第二のモジュールで構成された
１つの系列の電磁バルブを閉じることにより、他の系列
にさほど大きな影響を与えることなく、被処理流体を処
理できる。

【００３３】さらに、（３）上記（１）と（２）の態様
を組合せてもよい。すなわち、直列に接続された複数の
第一のモジュールの間に、少なくとも１つの第二のモジ
ュールを介在させて１つの処理系列を構成すると共に、
複数の前記処理系列を並列に接続してもよい。

【００３４】前記の例では、第一の分離膜と第二の分離
膜とは、それぞれ、異なるモジュールを構成している
が、同一のモジュール、すなわち第一の分離膜および第
二の分離膜を備えたモジュールを構成してもよい。

【００３５】さらに、本発明の膜分離装置において、比
較手段からの信号に応答して、制御手段は、前記電磁弁
とポンプの少なくとも一方の作動を制御すればよい。

【００３６】本発明の膜モジュールは、瀘過分離機能を
有する第一の分離膜エレメントと、この第一の分離膜か
らのリークをキャッチするための第二の分離膜エレメン
トと、前記リークを検出するための圧力検出手段又は流
量検出手段とを備えている。このような膜モジュール
は、コンパクトであり、分離装置に装着するだけで、前
記と同様の膜分離装置を構成できる。

【００３７】図４は第一の分離膜エレメント及び第二の
分離膜エレメントとして中空糸膜を用いた膜モジュール
の一例を示す概略断面図である。

【００３８】前記膜モジュールは、複数の中空糸膜から
なる中空糸束で構成された第一の分離膜エレメント４１
と、その透過側に配されていると共に、前記第一の分離
膜エレメント４１よりも大きな平均孔径を有する複数の
中空糸膜からなる中空糸束で構成された第二の分離膜エ
レメント４２とを備えている。

【００３９】分離膜エレメント４１，４２の両端部は、
各々、その端面が開口した状態で封止固定部４３により
固定され、ケーシング４４内に配設されている。なお、
第一の分離膜エレメント４１と、第二の分離膜エレメン
ト４２は、封止固定部４３の異なる領域で固定されてい
る。封止固定部４３は、エポキシ樹脂、ポリウレタン等
のシール剤により分離膜エレメント４１，４２の間隙を
埋設し接着することにより形成されている。

【００４０】前記ケーシング４４の両端開口部には、蓋
体４５ａ，４５ｂが配設されていると共に、これらの蓋
体４５ａ，４５ｂの内面には、前記封止固定部４３と接
触して封止し、かつ前記第一の分離膜エレメント４１の
開口領域と、第二の分離膜エレメント４２の開口領域と
を区画するための凸状隔壁４６ａ，４６ｂが形成されて
いる。

【００４１】第一の分離膜エレメント４１の中空部に被
処理流体を加圧して供給する内圧方式により膜分離する
ため、一方の蓋体４５ａのうち、前記第一の分離膜エレ
メント４１の開口領域に対応する部位には、被処理流体
を第一の分離膜エレメント４１の中空部へ供給するため
の供給口４７ａが形成され、第二の分離膜エレメント４
２の開口領域に対応する部位には、第二の分離膜エレメ
ント４２を透過した成分を、中空部を通じて流出させる
ための流出口４８ａが形成されている。また、他方の蓋
体４５ｂのうち、前記第一の分離膜エレメント４１の開
口領域に対応する部位には、第一の分離膜エレメント４
１を透過しなかった濃縮成分を流出させるための流出口
４７ｂが形成され、第二の分離膜エレメント４２の開口
領域に対応する部位には、第二の分離膜エレメント４２
を透過した成分を、中空部を通じて流出させるための流
出口４８ｂが形成されている。

【００４２】そのため、一方の蓋体４５ａの供給口４７
ａからの被処理流体は、第一の分離膜エレメント４１の
中空部へ供給され、第一の分離膜エレメント４１を透過
しなかった成分は、他方の蓋体４５ｂの流出口４７ｂか
ら流出する。また、第二の分離膜エレメント４２は、第
一の分離膜エレメント４１よりも大きな平均孔径を有す
るので、第一の分離膜エレメント４１を透過した成分の
少なくとも一部は、大きな圧力損失を伴なうことなく、
第二の分離膜エレメント４２の外面から中空部へ円滑に
流入し、中空部を通じて、蓋体４５ａ，４５ｂの流出口
４８ａ，４８ｂから流出する。第二の分離膜エレメント
４２を透過する過程で、第一の分離膜エレメント４１を
透過した成分は瀘過分離される。

【００４３】そして、前記ケーシング４４には、第一の
分離膜エレメント４１を透過した成分を流出させるため
の流出口４９が形成されているとともに、第二の分離膜
エレメント４２の供給側、すなわち第一の分離膜エレメ
ント４１の透過側の圧力を検出するため、前記流出口４
９には圧力検出器５０が装着されている。

【００４４】なお、前記封止固定部４３とケーシング４
４と蓋体４５ａ，４５ｂとの間は、弾性Ｏ−リングやパ
ッキン等の封止手段によって気密に封止されている。ま
た、封止固定部４３と、蓋体４５ａ，４５ｂの凸状隔壁
４６ａ，４６ｂとの間も、封止手段によって気密に封止
してもよい。

【００４５】また、ケーシング４４と封止固定部４３と
の間、および封止固定部４３と凸状隔壁４６ａ，４６ｂ
との間は、前記封止手段に代えて、又はこれらの封止手
段とともに、接着剤、例えば、封止固定部の樹脂と同様
の樹脂などの封止手段により接合封止されていてもよ
い。

【００４６】このような膜モジュールを用いると、第一
の分離膜エレメント４１から被処理流体がリークする
と、前記と同様に、第二の分離膜エレメント４２の瀘過
分離作用により、透過成分の汚染や濃縮成分の濃縮率の
低下が抑制されると共に、第二の分離膜エレメント４２
の供給側、換言すると、第一の分離膜エレメント４１の
透過側の圧力損失が大きくなる。そして、膜モジュール
内の圧力変動を、前記リークに対応させて、圧力検出器
５０により検出できる。

【００４７】このような膜モジュールを、例えば、図１
及び図２に示すような制御手段を備えた膜分離装置に装
着すると、前記圧力検出手段又は流量検出手段により速
やかにリークを検出し、制御手段を介して、膜モジュー
ルへの流体の供給や装置の運転を制御でき、安全性を高
めることができる。

【００４８】図５は本発明の膜モジュールの他の例を示
す概略断面図である。なお、図４の膜モジュールと共通
する要素および部材には、同一符号を付して説明する。

【００４９】図５に示す膜モジュールは、（１）被処理
流体が供給される側の一方の蓋体５５ａに凸条隔壁と流
出口とが形成されていない点、（２）第二の分離膜エレ
メント５２の上記蓋体５５ａ側の端部が封止固定部５３
に埋設され、かつ端面開口部が閉塞されている点、およ
び（３）ケーシング５４に１つの流出口が形成され、こ
の流出口に圧力検出器６０が装着されている点を除き、
図４に示す膜モジュールと同様に構成されている。

【００５０】図６は第一の分離膜エレメントとして中空
糸膜を用い、第二の分離膜エレメントとしてチューブ型
多孔体を用いた膜モジュールの例を示す概略断面図であ
る。なお、図５の膜モジュールと共通する要素および部
材には、同一符号を付して説明する。

【００５１】この膜モジュールは、径大な円筒状の第二
の分離膜エレメント６２の両端部が封止固定部６３ａ，
６３ｂの略中央部に埋設され、かつ両端開口部が閉塞さ
れている点、（２）第二の分離膜エレメント６２の周囲
に、複数の中空糸からなる第一の分離膜エレメント６１
が配設されている点、（３）ケーシング５４の他方の端
部に配設された蓋体６５ｂに、第一の分離膜エレメント
６１の開口領域と第二の分離膜エレメント６２の開口領
域とを区画し、かつ第二の分離膜エレメント６２を透過
した成分の流路を構成する円筒状隔壁６６ｂが形成され
ている点、（４）上記蓋体６５ｂに、第一の分離膜エレ
メント６１を透過しなかった濃縮成分を流出させるため
の２つの流出口６７ａ，６７ｂと、第二の分離膜エレメ
ント６２を透過した成分を流出させるための流出口６８
とが形成されている点を除き、図５に示す膜モジュール
と同様に構成されている。

【００５２】図５〜図６の膜モジュールにおいても、前
記と同様に、被処理流体のリークに伴なう圧力や流量の
変動を検出手段により検出し、透過成分の汚染や濃縮成
分の濃縮度の低下を抑制できる。

【００５３】図７は膜モジュールの他の例を示す概略断
面図である。この膜モジュールにおいては、中空円筒状
の第二の分離膜エレメント７２内に、複数の中空糸の束
からなる第一の分離膜エレメント７１が収容されてい
る。第一の分離膜エレメント７１は、その両端面開口部
が、開口した状態で封止固定部７３ａ，７３ｂに固定さ
れ、第二の分離膜エレメント７２の両端部は、封止固定
部７３ａ，７３ｂに端面が閉塞した状態で埋設されてい
る。前記封止固定部７３ａ，７３ｂは、第二の分離膜エ
レメント７２を透過した成分を流出させるための流出口
７９が形成されたケーシング７４内に気密又は液密に配
設され、ケーシング７４の両端部には蓋体７５ａ，７５
ｂが配設されている。

【００５４】一方の蓋体７５ａには、第一の分離膜エレ
メント７１の中空部へ被処理流体を供給するための供給
口７７ａが形成され、他方の蓋体７５ｂには、第一の分
離膜エレメント７１を透過しなかった濃縮成分を流出さ
せるための流出口７７ｂが形成されている。さらに、前
記他方の蓋体７５ｂには、前記第二の分離膜エレメント
７２の中空部内であって、かつ第一の分離膜エレメント
７１の非開口領域に対応する部位、すなわち供給側に
は、第一の分離膜エレメント７１の開口領域と区画する
中空筒状の隔壁７６ｂが形成され、この中空筒状の隔壁
７６ｂに連通して、第一の分離膜エレメント７１を透過
した成分を流出させるための流出口７８ｂが形成されて
いる。この流出口７８ｂには、第一の分離膜エレメント
７１の透過側の圧力や流量を検出するための圧力検出器
８０または流量検出器が設けられている。

【００５５】このような膜モジュールにおいては、第一
の分離膜エレメント７１の中空部に被処理流体が供給さ
れ、第一の分離膜エレメント７１を透過した成分は、中
空円筒状の第二の分離膜エレメント７２の中空部（供給
側）に供給され、第二の分離膜エレメント７２を透過し
た成分は、第二の分離膜エレメント７２の外側（透過
側）から、前記ケーシング７４に設けられた流出口７９
を経て流出する。そのため、リークが生じると、第二の
分離膜エレメント７２の中空部内の圧力や流量が増大す
るとともに、圧力や流量の変動は、前記圧力検出器８０
または流量検出器により検出される。

【００５６】また、第一の分離膜エレメントが第二の分
離膜エレメント内に収容されているので、第一の分離膜
エレメントを第二の分離膜エレメントにより保護できる
とともに、膜モジュールの容積を小さくできる。

【００５７】また、膜モジュールの第一の分離膜エレメ
ント７１及び第二の分離膜エレメント７２は、必要に応
じて、保護筒や保護ネット等の保護手段によって保護さ
れていてもよい。保護手段は、機械的強度の大きな形状
保持性を有する材料、例えば、プラスチック、金属、セ
ラミックス等で形成できる。

【００５８】この様な膜モジュールにおいては、交換等
のメンテナンスを容易にするため、第一の分離膜エレメ
ント７１や第二の分離膜エレメント７２は、封止固定部
を備えたカートリッジを構成するのが好ましい。この場
合、分離膜エレメントが損傷したとしても、新たなカー
トリッジに容易に交換できる。

【００５９】なお、前記第一の分離膜及び第二の分離膜
は、両端部に限らず、図５に示すように、少なくとも一
方の端面が閉塞されていてもよい。

【００６０】本発明の膜分離装置及び膜モジュールにお
いては、前記とは逆に、中空糸で構成された第一の分離
膜（エレメント）の外面側（一次側）に被処理流体を供
給する外圧方式でもよい。この場合、第一の分離膜（エ
レメント）を備えた膜モジュールの下流側のうち、第一
の分離膜（エレメント）の端面開口領域に対応する部位
に、第二の分離膜（エレメント）と圧力検出手段又は流
量検出手段とを備えた第二の膜モジュールを連設し、第
一の分離膜（エレメント）の中空部（二次側）を第二の
分離膜（エレメント）の供給側又は透過側と連通させ、
圧力や流量の変動を前記検出手段により検出すればよ
い。

【００６１】本発明の特色は、前記より明らかなよう
に、第一の分離膜（エレメント）と第二の分離膜（エレ
メント）とを特定の位置関係で組合せて配設する点にあ
る。

【００６２】前記第二の分離膜（エレメント）は、前記
第一の分離膜（エレメント）よりも大きな平均孔径を有
し、特定の大きさの不純物が透過しない分離性能を有す
る。前記第二の分離膜（エレメント）の平均孔径は、第
一の分離膜の平均孔径よりも大きければよい。通常、第
一の分離膜の平均孔径に対して、２倍以上、好ましくは
５倍以上、更に好ましくは１０倍以上であって、５００
μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、更に好ましくは
５０μｍ以下である。第一の分離膜（エレメント）の平
均孔径に対する第二の分離膜（エレメント）の平均孔径
が２倍以下であると、第二の分離膜による定常運転時の
圧力損失が大きい。また、平均孔径が５００μｍを越え
ると、第二の分離膜（エレメント）による分離効率が小
さく、第一の分離膜（エレメント）をリークした被処理
流体による透過成分の汚染を抑制するのが困難になるば
かりでなく、リークによる圧力変化又は流量変化を迅速
に検出するのが困難になる。

【００６３】第二の分離膜（エレメント）の平均孔径
は、その種類や装置の用途によって異なる。例えば、第
一の分離膜（エレメント）として、中空糸膜を採用し、
０．０００５〜０．００５μｍ程度の平均孔径を有する
ガス分離膜や逆浸透膜を用いる場合、第二の分離膜（エ
レメント）の平均孔径は、０．００５〜１０μｍ程度で
あればよく、第一の分離膜（エレメント）として、０．
００１〜０．１μｍ程度の限外瀘過膜を用いる場合、第
二の分離膜（エレメント）の平均孔径は、０．０１〜１
００μｍ程度であればよい。また、０．１〜８μｍ程度
の平均孔径を有するミクロ瀘過膜を用いる場合、第二の
分離膜（エレメント）の平均孔径は、１〜１００μｍ程
度であればよい。

【００６４】第二の分離膜（エレメント）は、通常、平
均孔径が０．１〜５００μｍ、好ましくは、０．１〜１
００μｍ、更に好ましくは、０．１〜５０μｍ程度の孔
を有している。第二の分離膜（エレメント）の孔径が
０．１μｍ未満であると、圧力損失が大きくなる。

【００６５】好ましい第二の分離膜エレメントには、５
００μｍ以下、好ましくは０．０１〜１００μｍ、更に
好ましくは０．１〜５０μｍ程度の多数の孔を有するス
キン層と支持体層とを備えた非対称膜からなり、第一の
分離膜エレメントを覆うように配された円筒状膜が含ま
れる。前記支持体層は、繊維の織布や不織布等で形成で
き、比較的大きな孔を有する多孔質層を構成する。前記
非対称膜からなる円筒状膜は、被処理流体の供給圧に対
する耐圧性が大きいので、第一の分離膜エレメントに対
する保護効果を有する。

【００６６】更に、前記第二の分離膜（エレメント）の
有効な膜面積は、通常、第一の分離膜（エレメント）の
有効な膜面積の５０％以下（例えば０．５〜５０％）、
好ましくは１〜２０％、更に好ましくは１〜１０％程度
である。第二の分離膜（エレメント）の有効膜面積が前
記範囲を外れると、リーク時の被処理流体の圧力変化や
流量変化の割合が小さくなり、トラブルを迅速に検出す
るのが困難になる。また、５０％を越えると、第一の分
離膜（エレメント）の損傷等に伴って透過成分が汚染さ
れ易くなる。

【００６７】尚、流量検出手段を用いる場合、第二の分
離膜（エレメント）の有効な膜面積の下限は、流体が円
滑に流れる限り特に制限されず、例えば第一の分離膜
（エレメント）の有効な膜面積の０．１％以下でもよ
い。

【００６８】本発明において、第一の分離膜（エレメン
ト）と第二の分離膜（エレメント）の型式及び素材は特
に限定されない。型式としては、例えば、中空糸型、ス
パイラル型、プレート・アンド・フレーム型、チューブ
型、プレート型等の膜モジュールや膜カートリッジなど
が挙げられる。なかでも、コンパクト性と膜自体の強度
の点から、第一の分離膜（エレメント）として中空糸膜
が好ましい。第二の分離膜（エレメント）としては、中
空糸膜やチューブ型多孔体膜等が好ましい。

【００６９】第一の分離膜（エレメント）の素材として
は、例えば、ポリエチレン、エチレン−プロピレン共重
合体、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン−１
等のオレフィン系ポリマー；ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデン
フルオライド、テトラフルオロエチレン−エチレン共重
合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキル
ビニルエーテル共重合体等のフッ素含有ポリマー；酢酸
セルロース等のセルロース系ポリマー；ポリ塩化ビニ
ル；ポリアクリロニトリル；ポリメタクリル酸メチル、
アクリロニトリル−メタクリル酸メチル共重合体等のア
クリル系ポリマー；シリコーン樹脂；ポリアミド；ポリ
イミド；ポリエーテルスルホン；ポリスルホン；ポリフ
ェニレンオキサイド；ポリフェニレンスルフィド；ポリ
アリレート；ポリエーテルエーテルケトン；ポリエーテ
ルイミド；ポリカーボネート；ポリビニルアルコール系
ポリマー等のポリマーなどが挙げられる。

【００７０】また、第二の分離膜（エレメント）の素材
としては、上記のポリマーなどに加えて、通気又は通液
可能な種々の材料、例えば、織布や不織布、ステンレス
スチール等の金属やセラミックス等であってもよい。

【００７１】これらの素材は、一種又は二種以上を用い
ることができる。多孔質とする方法も特に制限されず、
例えば、相分離、延伸等の慣用の膜形成方法のほか、焼
結、繊維状物の集合や織布等の方法が挙げられる。

【００７２】分離膜としては、分離成分の種類や分離方
式に応じて種々の膜、例えば、非多孔質膜、多孔質膜、
複合膜や改質膜等が使用できる。また、第一の分離膜
（エレメント）と第二の分離膜（エレメント）の種類、
形状や素材は同一であってもよいし、異なっていてもよ
い。例えば、図６や図７に示すように、第一の分離膜エ
レメントに中空糸膜を用い、第二の分離膜エレメントに
チューブ型多孔体膜を用いて膜モジュールを構成しても
よい。その他、用途などに応じて、適宜組み合わせて用
いることができる。

【００７３】第一の分離膜と第二の分離膜は、それぞ
れ、単独の膜であってもよいし、複数の膜モジュールや
膜エレメント等を組み合わせたものであってもよい。例
えば、本発明の膜モジュールは、複数の膜エレメント
が、ケーシング内に着脱可能に配設されたものであって
もよい。

【００７４】第一の分離膜エレメント及び第二の分離膜
エレメントは、必要に応じて、有機溶剤による処理、プ
ラズマ放電処理、コロナ放電処理、イオン処理等の表面
処理を施した後、接着封止に供してもよい。

【００７５】分離膜の端部を封止するシール剤（接着
剤）の種類は、限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ビ
ニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、オレフィン系ポリマ
ー、シリコーン樹脂、フッ素含有樹脂等が挙げられる。

【００７６】ケーシングの形状は、用途等に応じて適宜
選択できるが、通常、円筒状である場合が多い。ケーシ
ングの材質は、被処理流体や分離成分の種類などに応じ
て選択でき、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネー
ト、（メタ）アクリル系ポリマー、ポリスルホン、ポリ
エーテルスルホン等のプラスチック；ステンレススチー
ル等の金属；セラミックス等であってもよい。ケーシン
グは、通常、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ス
テンレススチール等で形成される場合が多い。

【００７７】尚、前記図に示す実施例においては、圧力
検出手段や流量検出手段を用いるため、膜モジュールの
ケーシングにノズルなどは設けていないが、モジュール
内の気泡の除去等のためケーシングにノズルを設けても
よく、このようなノズルは開閉可能であってもよい。

【００７８】本発明の他の特色は、前記のように第一及
び第二の分離膜（エレメント）と、圧力や流量の変動を
検出する検出手段とを組合せている点にある。圧力検出
手段または流量検出手段は、特に限定されず、被処理流
体の種類や分離方式等に応じて適宜選択することができ
る。

【００７９】圧力検出手段としては、例えば、ブルトン
管式圧力検出器、キャパシスタンス式圧力センサ、半導
体ストレインゲージ式（ピエゾ抵抗効果型）圧力セン
サ、容量型圧力センサ等が挙げられる。中でも、ブルト
ン管式圧力検出器、半導体ストレインゲージ式圧力セン
サ等が好ましい。

【００８０】なお、圧力検出手段を用いる場合は、第二
の分離膜の供給側及び透過側の少なくとも一方の圧力を
検出できればよいが、第二の分離膜の一次側（供給側）
と二次側（透過側）との被処理流体の圧力差を検出する
差圧式検出手段を用いると、リークをより高感度かつ速
やかに検出できるので好ましい。

【００８１】流量検出手段としては、例えば、小型軽量
型電磁流量計やマイクロコンピュータを搭載したインテ
リジェント電磁流量計等の電磁流量計；伝播時間差方
式、ドップラー方式等の超音波流量計；圧電素子、歪み
ゲージ、サーミスタ、超音波センサ等の検出素子を備え
たカルマン渦流量計等が例示される。中でも、液体・気
体・蒸気の何れにも適用可能でき、非接触的に流量検出
できるカルマン渦流量計などが好ましい。

【００８２】なお、流量検出手段は、第二の分離膜の供
給側、透過側のいずれにも配設できるが、第二の分離膜
の透過側に配設されることが多い。

【００８３】被処理流体は、第一の分離膜の分離特性に
応じて選択でき、空気、酸素、窒素等の気体や液体を含
む流体が使用できる。液体としては、水、アルコール
類、エーテル類、エステル類、ケトン類、有機酸類、ア
ミン類、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、脂環族
炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類等が挙げられる。

【００８４】本発明の膜分離装置及び膜モジュールは、
例えば、逆浸透、超瀘過、浸透気化、限外瀘過、精密瀘
過等の種々の分離方式を利用し、食品、排水処理、水の
精製、血液瀘過、ガス分離などの種々の分野において、
液体の分離、液体からの気体成分の分離、気体の分離等
に好適に使用できる。中でも、限外瀘過、精密瀘過や逆
浸透方式を利用し、懸濁物からの液体の分離等に好適に
使用できる。特に、原子力や火力発電用水の瀘過、排水
処理、浄水処理、人体液の瀘過など、リークした場合に
重大なトラブルを起こしやすい分野や大量処理を行う分
野に好適に用いられる。

【００８５】

【発明の効果】本発明の膜分離装置及び膜モジュールに
よれば、第一の分離膜と第二の分離膜と圧力又は流量を
検出する手段とを備えているので、分離膜が損傷したと
しても、透過成分の汚染や濃縮成分の濃縮率の低下を抑
制できると共に、トラブルによる被害を最小限に止める
ことができる。また、圧力検出手段又は流量検出手段に
より、第一の分離膜からのリークを速かに検知できるの
で、被処理流体の種類に拘わらず、トラブルを効率よく
検出し、運転中止などを含めて制御でき、装置の安全性
や信頼性が高い。さらに、前記第二の分離膜の平均孔径
が第一の分離膜よりも大きいので、定常運転時には圧力
損失がなく、膜分離効率が低下することもない。

【００８６】

【実施例】

実施例１〜４及び比較例１図１に示す膜分離装置を用いて試験を行った。被処理流
体としては、濁度１５度の河川水を用いた。比較回路１
４での基準値Ｖｆは圧力１．０ｋｇ／ｃｍ²Ｇに設定
し、圧力検出器１３からの検出値ＶがＶｆを越えたと
き、駆動回路１９，２０が、制御回路１５からの信号に
応答して、接続ライン５の電磁バルブ１０を閉じ、返送
ライン１１の電磁バルブ１２を開くように設定した。
尚、第一のモジュール２及び第二のモジュール４として
は、下記のモジュールを表１に示すように組み合わせて
用いた。

【００８７】第一のモジュール：Ａ：スパイラル型逆浸透膜モジュール（膜面積：７
ｍ²、合成高分子膜、食塩除去率：９８％、平均孔径：
０．０１μｍ以下）［ダイセル化学工業株式会社製、商
品名：ＳＶ０４−ＤＲＡ９８１０］Ｂ：中空糸型限外瀘過膜モジュール（膜面積：５ｍ²、
ポリエーテルスルホン膜、分画分子量：３万、平均孔
径：０．０１μｍ以下）［ダイセル化学工業株式会社
製、商品名：ＦＳ１０−ＦＵＳ０３８２］Ｃ：中空糸型限外瀘過膜モジュール（膜面積：５ｍ²、
酢酸セルロース膜、分画分子量：１５万、平均孔径：約
０．０１μｍ）Ｄ：中空糸型精密瀘過膜モジュール（膜面積：３ｍ²、
ポリエーテルスルホン膜、平均孔径：０．１μｍ）第二のモジュール：Ｅ：中空糸型精密瀘過膜モジュール（膜面積：０．３ｍ
²、ポリエーテルスルホン膜、平均孔径：０．２μｍ）Ｆ：チューブ型多孔質膜モジュール（膜面積：０．２ｍ
²、ポリメタクリル酸メチル膜、平均孔径：１５μｍ）
［ダイセル化学工業株式会社製、商品名：パールコンＭ
８０］比較例１においては、第二のモジュールを配設すること
なく膜分離装置を用いた。

【００８８】そして、実施例１については入口圧力１５
ｋｇ／ｃｍ²、回収率１０％の条件、実施例２〜４及び
比較例１については入口圧力３ｋｇ／ｃｍ²、回収率３
０〜８０％の条件で、膜分離装置を３０分間運転した
後、第一の分離膜を損傷させて運転し、何分後にリーク
を検知し装置が作動したかを測定した。結果を表１に示
す。

【００８９】

【表１】表１から明らかなように、実施例の膜分離装置では、い
ずれも１３分以内にリークを検知し、装置が作動し、接
続ライン５の電磁バルブ１０が閉じ、返送ライン１１の
電磁バルブ１２が開いた。そのため、第二のモジュール
４への原液の供給が停止し、第一の分離膜１からリーク
した被処理流体は、全量返送ライン１１を通じて貯溜槽
６へ返送された。一方、比較例１の装置では、リークを
検知せず、装置が作動しなかった。また、実施例の装置
では、リークが生じても、第二の分離膜の透過水の濁度
は原水よりも低かった。

【００９０】実施例５及び比較例２図３に示す膜分離装置を用いて実施例１と同様の方法で
試験を行った。但し、第一の分離膜２１の透過液の２０
％が第二の分離膜２３の原液として供給されるように、
電磁バルブ３０の開閉度で調整した。第二の分離膜２３
の透過液の流量を流量検出器３３で検出し、透過液の流
量が通常運転時の３０％に低下したときに、リークを検
知したとしてポンプ２７を停止するように制御回路を設
定した。第一の分離膜を損傷させてから前記ポンプ２７
が停止するまでの時間を測定したところ、表２に示す結
果を得た。

【００９１】

【表２】表２から明らかなように、実施例の膜分離装置では、速
やかにリークを検出し、装置を作動させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の膜分離装置を示す概略図であ
る。

【図２】図２は、図１の装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】図３は、本発明の膜分離装置の他の例を示す概
略図である。

【図４】図４は、本発明の膜モジュールを示す概略断面
図である。

【図５】図５は、本発明の膜モジュールの他の例を示す
概略断面図である。

【図６】図６は、本発明の膜モジュールの更に他の例を
示す概略断面図である。

【図７】図７は、本発明の膜モジュールの他の例を示す
概略断面図である。

【符号の説明】

１、２１…第一の分離膜２、２２…第一のモジュール３、２３…第二の分離膜４、２４…第二のモジュール１０、１２、３０…電磁バルブ１３、５０、６０、８０…圧力検出器１４…比較回路１５…制御回路３３…流量検出器４１、６１、７１…第一の分離膜エレメント４２、６２、７２…第二の分離膜エレメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−183807（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−25510（ＪＰ，Ａ) 特開平６−182164（ＪＰ，Ａ) 実開平６−21728（ＪＰ，Ｕ) 実開平６−34730（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 61/58 B01D 61/12 B01D 61/22 B01D 65/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理流体を分離するための第一の分離
膜と、第一の分離膜よりも大きな平均孔径を有し、第一
の分離膜から透過した流体が通過可能な第二の分離膜
と、この第二の分離膜の供給側及び／又は透過側の圧力
又は流量を検出する手段と、この検出手段からの検出信
号に応答して、第一の分離膜及び／又は第二の分離膜へ
の流体の供給を制御する制御手段とで構成されている膜
分離装置であって、第一の分離膜と第二の分離膜とがケ
ーシング内に配設されてモジュールを構成しており、こ
のケーシングに前記検出手段が装着され、前記ケーシン
グが、被処理流体を供給する供給口と、第一の分離膜を
透過しなかった成分を流出させるための流出口と、第二
の分離膜を透過した成分を流出させるための流出口とを
備えている膜分離装置。
【請求項２】被処理流体を分離するための第一の分離
膜と、第一の分離膜よりも大きな平均孔径を有し、第一
の分離膜から透過した流体が通過可能な第二の分離膜
と、この第二の分離膜の供給側及び／又は透過側の圧力
又は流量を検出する手段とを備えている膜モジュールで
あって、第一の分離膜と第二の分離膜とがケーシング内
に配設され、このケーシングに前記検出手段が装着さ
れ、前記ケーシングが、被処理流体を供給する供給口
と、第一の分離膜を透過しなかった成分を流出させるた
めの流出口と、第二の分離膜を透過した成分を流出させ
るための流出口とを備えている膜モジュール。
【請求項３】第二の分離膜エレメントにおける流体の
供給側と透過側との圧力差を検出する圧力検出手段を備
えている請求項２記載の膜モジュール。
【請求項４】第二の分離膜エレメントの平均孔径が、
第一の分離膜エレメントの２倍以上であって、かつ５０
０μｍ以下である請求項２記載の膜モジュール。
【請求項５】第二の分離膜エレメントの有効な膜面積
が、第一の分離膜エレメントの有効な膜面積の５０％以
下である請求項２記載の膜モジュール。
【請求項６】第二の分離膜エレメントの平均孔径が、
第一の分離膜エレメントの１０倍以上であり、第二の分
離膜エレメントの有効な膜面積が、第一の分離膜エレメ
ントの有効な膜面積の１〜１０％である請求項２記載の
膜モジュール。
【請求項７】第一の分離膜エレメントが中空糸膜であ
り、第二の分離膜エレメントが中空糸膜、チューブ型多
孔体膜又は円筒状分離膜である請求項２記載の膜モジュ
ール。
【請求項８】第二の分離膜エレメントが、５００μｍ
以下の多数の孔を有するスキン層と支持体層とを備えた
非対称膜であり、かつ第一の分離膜エレメントを覆うよ
うに配された円筒膜である請求項２記載の膜モジュー
ル。