JP4484685B2 - Spiral separation membrane element and manufacturing apparatus thereof - Google Patents
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Description
本発明は、分離膜を用いて逆浸透技術、櫨過技術等により流体の成分を分離するスパイラル型分離膜エレメント及びその製造装置に関する。 The present invention relates to a spiral separation membrane element that uses a separation membrane to separate components of a fluid by a reverse osmosis technique, a filtration technique, and the like, and an apparatus for manufacturing the same.
従来から、工場やビルなどにおける排水処理あるいは精製水供給には、多くの濾過装置が使用されている。特に、近年半導体製造工程における処理水などにおいては、高度な精密濾過装置が要求され、精密濾過膜(MF膜)や限外濾過膜(UF膜)あるいは逆浸透膜(RO膜)などを利用したスパイラル型分離膜エレメント(以下、膜エレメントと言う)が多用されている。 Conventionally, many filtration devices have been used for wastewater treatment or purified water supply in factories and buildings. In particular, advanced microfiltration devices are required for treated water in semiconductor manufacturing processes in recent years, and microfiltration membranes (MF membranes), ultrafiltration membranes (UF membranes), and reverse osmosis membranes (RO membranes) are used. Spiral type separation membrane elements (hereinafter referred to as membrane elements) are frequently used.
こうした膜エレメントの構造としては、図1に示す分離膜2、供給側流路材6および透過側流路材3の複数が、有孔の中空状中心管5の周りに渦巻き状に巻き付けられた膜エレメント1が知られている。この膜エレメント1において、原液7は一端面より供給され他端面より濃縮液9が取り出される。原液7は供給側流路材6に導かれる間に、分離膜2で濾過された透過液8は透過側流路材3を通り、中空状中心管5の孔を通って取り出される。また、透過液や洗浄液を用いた逆流洗浄の場合は、逆に中心管5に逆流洗浄液が供給され孔から分散供給され分離膜2の裏側から洗浄して洗浄排水として排出される(例えば、下記特許文献1参照)。
As a structure of such a membrane element, a plurality of
ここで、分離膜2等の中心管5への巻き付けは、例えば中心管5内部に駆動シャフトを挿入し、分離膜2等に張力を加えながら、この駆動シャフトを回転させることにより行っていた。
Here, the winding of the
しかし、中心管5の内部形状が円形であると、張力が中心管5の内壁面と駆動シャフトとの間で生じる摩擦力よりも大きい場合には、両者の間で滑りが生じる。その結果、中心管5の内壁面に駆動シャフトがキズを付けるという問題があった。
However, if the inner shape of the
また、十分な張力で分離膜2等を引っ張ることができないことから、特に中心管5の近傍で隙間が発生していた。膜エレメント1をハウジング等に収納する際には、ハウジング等のスペース上の制約が有ることから、膜エレメントの大きさを極力抑制する必要がある。しかし、前述のように隙間が生じるような巻き付けであると、ハウジング等に収納可能な範囲内で、より膜面積の大きい分離膜を巻き付けることができず、従って膜面積が大きく分離性能に優れた膜エレメントが得難いという問題もあった。
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、有効な膜面積を拡大して分離性能を向上させることが可能なスパイラル型分離膜エレメント、及びその製造装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a spiral separation membrane element capable of expanding an effective membrane area and improving separation performance, and a manufacturing apparatus thereof. is there.
本願発明者等は、前記従来の問題点を解決すべく、スパイラル型分離膜エレメント及びその製造装置について鋭意検討した。その結果、下記構成を採用することにより前記目的を達成できることを見出して、本発明を完成させるに至った。 In order to solve the above-described conventional problems, the inventors of the present application have made extensive studies on a spiral separation membrane element and a manufacturing apparatus therefor. As a result, the inventors have found that the object can be achieved by adopting the following configuration, and have completed the present invention.
すなわち、本発明に係るスパイラル型分離膜エレメントは、前記の課題を解決する為に、分離膜の間に供給側流路材を配置した分離膜ユニットと透過側流路材とを交互に重ねた積層体を、有孔の中空状中心管の周囲に巻回したスパイラル型分離膜エレメントに於いて、前記中心管の外形はその断面において円形であり、前記中心管の端部の内壁面はその断面において円形状を有し、それ以外の内壁面はその断面において楕円形状を有するものであり、相対回転を係止可能な楕円形状の外形を有する駆動シャフトの挿入を許容する形状であることを特徴とする。 That is, in order to solve the above-described problem, the spiral separation membrane element according to the present invention is formed by alternately stacking separation membrane units and permeation side flow passage materials in which supply side flow passage materials are arranged between separation membranes. In a spiral separation membrane element in which a laminate is wound around a perforated hollow central tube, the outer shape of the central tube is circular in cross section, and the inner wall surface at the end of the central tube is The cross section has a circular shape, and the other inner wall surface has an elliptical shape in its cross section, and has a shape that allows insertion of a drive shaft having an elliptical outer shape that can lock relative rotation. Features.
また、本発明に係るスパイラル型分離膜エレメントの製造装置は、前記の課題を解決する為に、分離膜の間に供給側流路材を配置した分離膜ユニットと透過側流路材とを交互に重ねた積層体を、有孔の中空状中心管の周囲に巻回する手段を備えたスパイラル型分離膜エレメントの製造装置に於いて、
前記中心管の内部に挿入して該中心管を回転させ、中心管の周囲に前記積層体を巻回させる為の駆動シャフトであって、
外形はその断面において円形であり、端部の内壁面はその断面において円形状を有し、それ以外の内壁面はその断面において楕円形状を有する前記中心管に対し、相対回転を係止可能な楕円形状の外形を有する駆動シャフトを有することを特徴とする。
In addition, in order to solve the above-described problems, the manufacturing apparatus for a spiral separation membrane element according to the present invention alternately includes a separation membrane unit in which a supply-side channel material is disposed between separation membranes and a permeation-side channel material. In the manufacturing apparatus of the spiral separation membrane element provided with means for winding the laminated body on the periphery of the perforated hollow central tube,
A drive shaft for inserting the inside of the central tube to rotate the central tube and winding the laminate around the central tube;
The outer shape is circular in the cross section, the inner wall surface of the end portion has a circular shape in the cross section, and the other inner wall surfaces can lock relative rotation with respect to the central tube having the elliptical shape in the cross section. A drive shaft having an elliptical outer shape is provided.
本発明は、前記に説明した手段により、以下に述べるような効果を奏する。 The present invention has the following effects by the means described above.
すなわち、本発明に係るスパイラル型分離膜エレメントによれば、中心管の内壁面が、相対回転を係止可能な外形を有する駆動シャフトの挿入を許容する形状であるので、該駆動シャフトを用いて中心管を軸回転させ積層体を巻回させた場合、その中心管の内壁面が傷付くのを防止することができる。さらに、積層体に大きな張力を加えて巻回させることも可能になり、また集水管長手方向に対し均一に駆動力をかけることができ、これにより積層体にシワが発生したり、或いは中心管の巻き始め部分に隙間が生じるのを無くすこともできる。その結果、サイズが大きくなるのを抑制しつつできるだけ面積の大きい分離膜を中心管に巻き付けることができ、分離性能に優れたスパイラル型分離膜エレメントを提供することができる。 That is, according to the spiral-type separation membrane element of the present invention, the inner wall surface of the center tube has a shape that allows insertion of a drive shaft having an outer shape that can lock relative rotation. When the central tube is rotated and the laminate is wound, the inner wall surface of the central tube can be prevented from being damaged. Furthermore, it is possible to wind the laminated body with a large tension, and it is possible to apply a driving force uniformly in the longitudinal direction of the water collecting pipe, which causes wrinkles in the laminated body or the central pipe. It is also possible to eliminate the occurrence of a gap at the winding start portion. As a result, a separation membrane having as large an area as possible can be wound around the central tube while suppressing an increase in size, and a spiral separation membrane element having excellent separation performance can be provided.
また、本発明に係るスパイラル型分離膜エレメントの製造装置によれば、スパイラル型分離膜エレメントに於ける中心管の内部で、相対回転を係止可能な外形を有する駆動シャフトを備えているので、中心管に積層体を巻き付ける際には、中心管の内壁面を傷付けることなく回転させることができる。また、積層体に大きな張力を加えつつ巻回させることも可能になる。これにより、積層体に隙間やシワが発生するのを防止し、サイズが大きくなるのを抑制しつつできるだけ面積の大きい分離膜を中心管に巻き付けて製造することができる。従って、本発明によれば、分離性能に優れたスパイラル型分離膜エレメントの製造が可能な製造装置を提供することができる。 Further, according to the spiral separation membrane element manufacturing apparatus according to the present invention, since the drive shaft having an outer shape capable of locking relative rotation is provided inside the central tube in the spiral separation membrane element, When the laminate is wound around the central tube, it can be rotated without damaging the inner wall surface of the central tube. In addition, the laminate can be wound while applying a large tension. As a result, it is possible to manufacture a separation membrane having as large an area as possible around the central tube while preventing gaps and wrinkles from occurring in the laminate and suppressing an increase in size. Therefore, according to this invention, the manufacturing apparatus which can manufacture the spiral-type separation membrane element excellent in the separation performance can be provided.
本発明の実施の形態について、図を参照しながら以下に説明する。尚、本発明に係るスパイラル型分離膜エレメント(以下、膜エレメントという)は、中心管内面の形状のみが従来のものと異なっており、他の構造は上述の従来の膜エレメントの構成を適用することができる。したがって、ここでは、再度図1を参照して本実施の形態に係る膜エレメントの構成の一例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The spiral type separation membrane element (hereinafter referred to as membrane element) according to the present invention is different from the conventional one only in the shape of the inner surface of the central tube, and the other structure applies the configuration of the conventional membrane element described above. be able to. Therefore, here, an example of the configuration of the membrane element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 1 again.
図1に示すように、本実施の形態に係る膜エレメント1は、合成樹脂のネットからなる透過側流路材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)4を形成し、その封筒状膜4の開口部を中心管5に取付け、合成樹脂のネットからなる供給側流路材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。
As shown in FIG. 1, the
前記分離膜2は、例えば不織布層上に多孔性支持体及びスキン層(緻密層)が順次積層された構造を有する。不織布層の構成材料としては特に限定されるものではなく、従来公知のものを採用することができる。
The
前記多孔性支持体の構成材料としては、従来公知のものを採用することができる。具体的には、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等のポリアリールエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン等が例示できる。 As the constituent material of the porous support, conventionally known materials can be employed. Specifically, for example, polyarylethersulfone such as polysulfone and polyethersulfone, polyimide, polyvinylidene fluoride and the like can be exemplified.
前記スキン層は、流体に含まれる分離対象物質に対し透過性を示さない分離機能を有する。スキン層を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、従来公知のものを採用することができる。具体的には、例えば、PE、PP、PET、ナイロン、ポリアミド、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリビニルアルコール(PVA)、PMMA、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、エチレン−ビニルアルコール共重合体等が例示できる。 The skin layer has a separation function that does not exhibit permeability to the separation target substance contained in the fluid. The material constituting the skin layer is not particularly limited, and conventionally known materials can be adopted. Specific examples include PE, PP, PET, nylon, polyamide, polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl alcohol (PVA), PMMA, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, and ethylene-vinyl alcohol copolymer. it can.
前記供給側流路材6には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。また、透過側流路材3には、ネット状材料、編み物状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。
For the supply-
前記中心管5は、図2に示すように、管の周囲に複数の開孔を有する構造である。中心管5の内壁面10は、その断面に於いて正六角形状となっており、後述の駆動シャフトの挿入を許容する形状を有している。この様な内壁面10であると、駆動シャフトが回転することにより中心管5に伝達される力は、中心管5の内壁面10を、回転させようとする方向(巻回方向)側に押す力となる。この力が中心管5を回転させる駆動力となる。一方、従来の円形状であると、中心管5を回転させる駆動力は、中心管5の内壁と駆動シャフトとの接触面に生じる摩擦力だけである。この場合、巻き付ける分離膜2等に張力を加えたりすると、中心管5の内壁面10と駆動シャフトとの間で滑りを生じる場合が多く、その結果内壁面10を傷付けたり、中心管5の近傍等で積層体間に隙間が生じたりする。尚、中心管5の内壁面10の断面に於ける形状は、軸方向に於いて同一であることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
ここで、中心管5の断面形状は、図2に示す形状のものに限定されず、例えば図3に示す楕円形状の内壁面11や、図4に示す矩形状の内壁面12とすることもできる。また図5(a)に示す様に、中心管5の端部が円形状の内壁面13を有し、それ以外の部分は正六角形状の内壁面14を有する構造としてもよい。更に、図5(b)に示す正六角形状の内壁面15としてもよい。また中心管5は、円形状の内壁面の一部に溝を設けたものや、軸方向に平行に延在した突条部を設けたものも採用することができる。さらに中心管5は、駆動シャフトがスプライン軸の場合には、少なくとも4条以上のキー溝が軸方向に形成された内壁面を備えたものとすることもできる。この様な形状であると、中心管5に一層大きな回転力を伝達することができる。すなわち、本発明に於いて、中心管5の内壁面は、これを回転させる駆動力が該中心管5と駆動シャフトとの間に生じる摩擦力だけでなく、巻回方向側に押す力が内壁面の少なくとも一部に加わる様なものであれば、特に限定されるものではない。
Here, the cross-sectional shape of the
尚、中心管5の回転を防止する点からは、例えば、単にその外形を矩形状にしたり、或いは突起部を設けたりする態様も考えられる。しかしながら、これらの形状であると、円形状に積層体を巻き付けることができず、歪な形状の膜エレメントになるという不都合がある。
From the viewpoint of preventing the rotation of the
前記中心管5の構成材料としては特に限定されず、従来公知の樹脂等を採用することができる。また、中心管5の長さ、外径及び内径等も用途等に応じて適宜変更可能である。さらに、中心管5の製造方法についても、従来公知の方法を採用することができる。
The constituent material of the
本実施の形態に係る膜エレメントの製造装置に於いては、中心管5の内部に挿入してこれを回転させ、中心管5の周囲に前記積層体を巻回させる為の駆動シャフトを備える。該駆動シャフトの外形は、中心管5の内壁面の形状及び大きさと合致していることが好ましい。駆動シャフトの回転力を中心管5に有効に伝達させる為である。従って、中心管5の内壁面が、その断面に於いて図2及び3に示すような楕円形状または正四角形状である場合には、駆動シャフトの外形も楕円形状または矩形状とするのが好ましい。また駆動シャフトとしては、円形状の外形の一部に軸方向に平行に延在した突条部を設けたものや、その一部に溝を設けたもの、スプライン軸等を採用することもできる。但し、本発明に於いて、駆動シャフトの外形は前記の場合に限定されず、例えば略円形状を除く形状にする等して中心管5の内壁面との間に相対回転を係止できる構造であれば、その内壁面の形状と必ずしも一致させる必要はない。
The membrane element manufacturing apparatus according to the present embodiment includes a drive shaft that is inserted into the
前記駆動シャフトの構成材料としては特に限定されず、例えば鋼材など従来公知のものを採用することができる。また、駆動シャフトは、図示しない駆動モーター等の従来公知の駆動装置により駆動される。 The constituent material of the drive shaft is not particularly limited, and a conventionally known material such as a steel material can be employed. The drive shaft is driven by a conventionally known drive device such as a drive motor (not shown).
また、本実施の形態に係る膜エレメントの製造装置は、中心管5に巻き付けられつつある積層体のうち、最外層の積層体の端部に張力を加える手段を備えることが好ましい。これにより、積層体を中心管5の近傍に於いても隙間無く巻き付けることができ、その結果、従来の膜エレメントと比較して面積の一層大きい分離膜2を、従来の膜エレメントと同じサイズ内で巻き付けることが可能になる。その結果、膜有効面積を大きくすることができ、分離性能に優れた膜エレメントを製造することができる。
In addition, the membrane element manufacturing apparatus according to the present embodiment preferably includes means for applying tension to the end of the outermost layered laminate among the laminates being wound around the
ここで、前記手段としては特に限定されず、例えば積層体の端部を把持して張力を加えることが可能なニップロール等が挙げられる。また、積層体に加える張力は、前記駆動モーターの駆動力等に応じて適宜設定されるのが好ましい。具体的には、例えば2〜5N/エレメント幅の範囲内であることが好ましい。 Here, the means is not particularly limited, and examples thereof include a nip roll capable of gripping the end of the laminated body and applying a tension. Moreover, it is preferable that the tension applied to the laminate is appropriately set according to the driving force of the driving motor. Specifically, for example, it is preferably within a range of 2 to 5 N / element width.
尚、本発明に係る膜エレメントの製造装置に於いて、その他の構成については、従来公知のものを採用し得る。 Incidentally, in the membrane element manufacturing apparatus according to the present invention, conventionally known ones can be adopted for the other configurations.
また、膜エレメント1の表面には、図6(a)〜(d)に示すように、駆動シャフトを用いて中心管5を軸回転させ、膜エレメント1の表面にシート状の外周テープ20を巻回してもよい。この様な場合にも中心管5の内壁面が、相対回転を係止可能な外形を有する駆動シャフトの挿入を許容する形状であるので、その中心管5の内壁面が傷付くのを防止することができる。この外周テープ20に加えるテープテンションは10〜20kgf/75mm(0.13〜0.27kgf/mm、1.31〜2.65N/mm)の範囲内であることが好ましい。同図(a)〜(d)は、所定幅の外周テープ20を軸方向端部に向けてらせん状に巻回した後、他方の軸方向端部に向けてらせん状に巻回し、更に軸方向中央付近に向けてらせん状に巻回する例を示す。即ち、外周テープ20は膜エレメント1の各部において、らせん状に2層分巻回されている。なお、外周テープ20の巻回方向は、膜エレメント1における積層体の巻回方向と同じである。
Further, as shown in FIGS. 6A to 6D, the
図6(a)に示すように、外周テープ20の先端を膜エレメント1の巻回の開始位置に固定する。固定の方法は貼付、融着、接着などの方法で行うことができる。巻回の際には、外周テープ20の供給ロールをトラバースさせたり、膜エレメント1を軸方向又は供給ロール側に移動させたりすることで、外周テープ20をらせん状に巻回することができる。
As shown in FIG. 6A, the tip of the outer
また、外周テープ20を巻回する際、らせん状のシート同士が重なって隙間が無い状態とするのが好ましい。具体的には外周テープ20の重なりをシート幅の5〜50%とするのが好ましい。この範囲を下回ると隙間が出来やすく、隙間が出来るとその部分は分離膜と供給側流路材と透過側流路材の密着性が低下し易い。また、この範囲を超えると外周テープ20の巻き付け時間と外周テープ20の使用量が増加し安価なスパイラル膜エレメントを供給しにくくなる。
Further, when the outer
本実施形態では、図6(b)に示すように、外周テープ20を一方の軸方向端部まで巻回すると、続いて他方の軸方向端部に向けてらせん状に外周テープ20を巻回する。その際、外周テープ20を一旦切断した後に、再度、一方の軸方向端部から巻回を開始してもよいが、外周テープ20を切断せずに連続して巻回を行うのが好ましい。巻回を連続して行う場合、徐々に巻回の角度(シート長手方向と軸方向のなす角度)を変えてもよく、一時に変えてもよい。また、このようなターン部分を、外周テープ20の巻回後にトリミングして除去することも可能である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6B, when the outer
本実施形態では、図6(c)〜(d)に示すように、外周テープ20を他方の軸方向端部まで巻回すると、続いて軸方向中央付近に向けてらせん状に外周テープ20を巻回する。この場合も上記と同様にしてターンを行うのが好ましい。本実施形態において、更に巻回の層数を増加させてもよい。
In this embodiment, as shown in FIGS. 6C to 6D, when the outer
1 スパイラル型分離膜エレメント
2 分離膜
3 透過側流路材
4 封筒状膜
5 中空状中心管
6 供給側流路材
7 原液
8 透過液
9 濃縮液
10〜15 内壁面
20 外周テープ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記中心管の外形はその断面において円形であり、
前記中心管の端部の内壁面はその断面において円形状を有し、それ以外の内壁面はその断面において楕円形状を有するものであり、相対回転を係止可能な楕円形状の外形を有する駆動シャフトの挿入を許容する形状であることを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。 Spiral type separation membrane element in which a laminated body in which a separation membrane unit and a permeation channel material are alternately stacked between the separation membranes is wound around a perforated hollow central tube In
The outer shape of the central tube is circular in cross section,
The inner wall surface at the end of the central tube has a circular shape in its cross section, and the other inner wall surface has an elliptical shape in its cross section, and has an elliptical outer shape capable of locking relative rotation. A spiral separation membrane element characterized by having a shape allowing insertion of a shaft.
前記中心管の内部に挿入して該中心管を回転させ、中心管の周囲に前記積層体を巻回させる為の駆動シャフトであって、
外形はその断面において円形であり、端部の内壁面はその断面において円形状を有し、それ以外の内壁面はその断面において楕円形状を有する前記中心管に対し、相対回転を係止可能な楕円形状の外形を有する駆動シャフトを有することを特徴とするスパイラル型分離膜エレメントの製造装置。 Spiral provided with means for winding a laminated body in which a separation membrane unit and a permeation channel material alternately arranged between separation membranes around a perforated hollow central tube In the manufacturing apparatus of the mold separation membrane element,
A drive shaft for inserting the inside of the central tube to rotate the central tube and winding the laminate around the central tube;
The outer shape is circular in the cross section, the inner wall surface of the end portion has a circular shape in the cross section, and the other inner wall surfaces can lock relative rotation with respect to the central tube having the elliptical shape in the cross section. An apparatus for manufacturing a spiral separation membrane element, comprising a drive shaft having an elliptical outer shape .
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