JP4485410B2 - スパイラル型分離膜エレメント及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えるスパイラル型分離膜エレメント、及びその製造方法に関する。

逆浸透ろ過、限外ろ過、精密ろ過、気体分離、脱ガス等に用いられる流体分離エレメントとして、例えば、供給側流体を分離膜表面へ導く供給側流路材、供給側流体を分離する分離膜、分離膜を透過し供給側流体から分離された透過側流体を中心管へと導く透過側流路材からなるユニットを、中心管の周りに巻き付けたスパイラル型分離膜エレメントが知られている。

図４はスパイラル型分離膜エレメントの一部切り欠き斜視図である。図４に示すスパイラル型分離膜エレメントは、透過側流路材５の両面に分離膜６を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜３を形成し、その封筒状膜３の開口部を中心管２に取り付け、供給側流路材４と共に中心管２の外周面に巻き回すことにより製造される。

図４に示すように、供給側流体５１はスパイラル型分離膜エレメントの一方の端面側から供給される。供給された供給側流体５１は供給側流路材４に沿って流れ、スパイラル型分離膜エレメントの他方の端面側から濃縮流体５３として排出される。供給側流体５１が供給側流路材４に沿って流れる過程で、分離膜６を透過した透過側流体５２が透過側流路材５に沿って中心管２の内部に流れ込み、中心管２の端部から排出される。このようなスパイラル型分離膜エレメントは、透過側流路材５を挟んで封筒状に形成された分離膜６および供給側流路材４からなる１組または複数組の素材（ユニット）群を有する。

図５は複数組の素材群を有するスパイラル型分離膜エレメントの軸方向の断面図、図６は図５のスパイラル型分離膜エレメントのＡ−Ａ断面図、図７は図５のスパイラル型分離膜エレメントの端面を示す要部図である。スパイラル型分離膜エレメントの製造の際には、透過側流路材５を介して背中合わせとなる各２枚の分離膜６の両端を接着剤で接着しながら、図６および図７に示すように、中心管２の外周面に渦巻き状に巻き付ける。そして、図５に示すように、中心管２に巻き回された素材群の両端面に環状のシールキャリア８を取り付ける。

上記スパイラル型分離膜エレメントは、図６および図７に示すように、中心管２の外周面には封筒状膜３の先端１６が接することとなり、封筒状膜３の先端１６の両側に三角形の隙間が生じる。また、中心管２近傍では巻き回しの曲率半径が小さく透過側流路材５の反発力大きく、このため中心管２近傍の透過側流路材５と中心管２あるいは封筒状膜３の先端１６との間に隙間が生じる。

以上様々な要因により、中心管２近傍では中心管２、透過側流路材５と封筒状膜３先端１６の密着性低く、気密性（シール性）が十分に保てない。このため、中心管２、透過側流路材５と封筒状膜３先端１６の間の気密性を向上させるため、中心管２の外周面を取り囲む端部に接着樹脂を塗布することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、スパイラル型分離膜エレメントの用途や使用条件により、加熱／冷却あるいは加圧／減圧が繰り返えされる事があるが、この場合スパイラル型分離膜エレメントの各部に応力が繰り返しかかる事になる。また、濁質分を含むあるいは高粘度の供給側流体を処理する場合、供給側流路材４を供給側流体が流れる際、大きな圧力損失が発生しスパイラル型分離膜エレメントの軸方向に変形させる力が働く。

しかしながら、上記のような中心管２の外周面の接着樹脂は、隙間の開口端に蓋をしているだけの状態であり、エレメント使用時の応力変形により、隙間の開口端部の接着面の剥離が生じ易い。また、スパイラル型分離膜エレメントの使用条件によっては高圧力での運転となるため、開口部に蓋をしている接着樹脂の陥没変形／破損が生じ易い。これらの結果、供給側流体の一部が接着面の剥離部分を通って中心管の内部に流入し、これにより透過側流体が汚染され、スパイラル型分離膜エレメントの所定性能が発現できなくなるという問題があった。

特開平１１−１６５０４８号公報

そこで、本発明の目的は、エレメントの変形や高圧の負荷に対しても、中心管の周囲の封止部のシール性を十分維持して、所定の性能が発現できるスパイラル型分離膜エレメント、及びその製造方法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、分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、前記中心管の外周面と前記分離膜の内周側端部との間に介在する接着樹脂により内周側封止部が形成されていると共に、少なくともその内周側封止部によって前記中心管に外挿された環状板が前記分離膜の端辺の内周側に固着されていることを特徴とする。

本発明のスパイラル型膜エレメントによると、中心管の外周面と分離膜の内周側端部との隙間の中に樹脂が充填されているため、圧力・温度の繰り返し変化あるいは供給側流体の圧力損失でスパイラル型分離膜エレメントが変形する事があっても、接着樹脂の剥離が起こらない。また、高圧が付与された場合でも環状板が保護材となって、陥没変形／破損が生じることがない。従って、エレメント使用時に受ける圧力・温度の繰り返し変化あるいは供給側流体の圧力損失でスパイラル型分離膜エレメントが変形する、あるいは、開口部に蓋をしている接着樹脂に高圧がかかることがあっても、所定性能が発現可能となる。つまり、エレメントの変形や高圧の負荷に対しても、中心管の周囲の封止部のシール性を十分維持して、所定の性能が発現できるスパイラル型分離膜エレメントとなる。

上記において、前記中心管の外寸をＭとするとき、前記環状板の内寸Ａが、Ｍ×１．０〜Ｍ×１．１の範囲にあり、外寸Ｂが、Ｍ×１．３〜Ｍ×２．０の範囲にあることが好ましい。ここで、中心管又は環状板の外寸とは、円形の場合には外径を指し、環状板の内寸とは、円形の場合には内径を指すが、円形以外の形状の場合は、同一面積の円形に近似して同様に算出する。

環状板の内寸ＡがＭの１．１倍よりも大きくなると、内周側封止部を保護する効果が小さくなる傾向がある。また、環状板の外寸ＢがＭの１．３倍より小さくなると、内周側封止部を保護する効果が小さくなる傾向があり、また、Ｍの２．０倍を越えると、供給側流路を塞いでしまうため、偏流が発生して所定性能を発現しにくくなる傾向がある。

一方、本発明の製造方法は、分離膜と供給側流路材と透過側流路材とを積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体を形成する工程と、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部を形成する工程とを有するスパイラル型膜エレメントの製造方法において、前記中心管に外挿した環状板を前記分離膜の端辺側に押し付けることにより、前記中心管の外周面と前記分離膜の内周側端部との間に接着樹脂を進入させる工程と、その接着樹脂により前記環状板を固着しつつ前記中心管の外周面と前記分離膜の内周側端部との間に内周側封止部を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の製造方法によると、中心管に外挿した環状板を分離膜の端辺側に押し付けるため、中心管の外周面と分離膜の内周側端部との間に接着樹脂を進入させることができ、圧力・温度の繰り返し変化あるいは供給側流体の圧力損失でスパイラル型分離膜エレメントが変形する事があっても、接着樹脂の剥離が起こらない構造となる。また、接着樹脂により環状板を固着するため、高圧が付与された場合でも環状板が保護材となって、接着樹脂に陥没変形／破損が生じることがない。従って、エレメントの変形や高圧の負荷に対しても、中心管の周囲の封止部のシール性を十分維持して、所定の性能が発現できるスパイラル型分離膜エレメントを製造することができる。

上記において、前記接着樹脂が初期粘度が２Ｐａ・ｓ〜６０Ｐａ・ｓであり、かつ、５分後の粘度が１００Ｐａ・ｓ以上となる２液混合接着剤であることが好ましい。接着樹脂が初期粘度がこの範囲であると、環状板の押し付けにより、中心管の外周面と分離膜の内周側端部との間に接着樹脂を容易に進入させることができ、５分後の粘度がこの範囲であると、環状板の固着が外力による変形を受けにくくなり、内周側封止部のシール性をより確実に維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例を示す軸方向の断面図である。図２は図１のスパイラル型分離膜エレメントの端面を示す要部図である。図３は図１のスパイラル型分離膜エレメントのＢ−Ｂ断面図である。
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、図１〜図３に示すように、分離膜６、供給側流路材４、及び透過側流路材７が、積層状態で有孔の中心管２の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備える。また、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられ、封止部には、両端封止部７と外周側封止部も含まれる。

透過側流路材５を介して対向する分離膜６の軸方向の両端は両端封止部７により封止され、図２に示すように、スパイラル状に配置された複数の両端封止部７の間には、供給側流路材４が介在する。また、透過側流路材５を介して対向する分離膜６の外周側端部は、軸方向に沿って形成された外周側封止部により封止されている。

上記の円筒状巻回体は、分離膜６と供給側流路材４と透過側流路材５とを積層状態で有孔の中心管２の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体を形成する工程と、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部を形成する工程とによって製造することができる。本実施形態では、複数の分離膜６の各々を略中央で屈曲させて、供給側流路材４を挟み込み、複数の分離膜６同士の間に透過側流路材５を介在させて積層する場合の例を示す。

この実施形態では、まず、分離膜６を二つ折りにした間に供給側流路材４を配置したものと透過側流路材５とを積み重ね、供給流体と透過流体の混合を防ぐ封止部を形成するための接着剤を、透過側流路材５の軸方向両端部及び巻回終端部に塗布した分離膜ユニットを準備する。

分離膜６としては、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜などが好適に使用できるが、これに限定されるものではない。透過側流路材５を介して背中合わせとなる各２枚の分離膜６の両端部は、接着剤で互いに接着されることにより、複数の封筒状膜３が形成される。封筒状膜３の内部は、中心管２（集水管）の内部に連通している。

供給側流路材４には、ネット状材料、編物状材料等が使用できる。透過側流路材５にはネット状、編み物状材料等が使用できる。有孔の中心管２は、管の周囲に開孔を有するものであればよく、従来のものが何れも使用できる。

両端封止部７と外周側封止部を形成するための接着剤としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤等、従来公知のいずれの接着剤も使用することができる。また、ホットメルト接着剤、熱融着型粘着テープ、熱融着性シートなどを用いて形成することも可能である。

次に、上記の分離膜ユニットの複数を積層し、有孔の中心管２の周囲にスパイラル状に巻回した後、接着剤などを熱により硬化等させることで、円筒状巻回体を得るが、本発明では、その形成工程の際又は形成工程の後に、中心管の外周部に内周側封止部１７を形成する。なお、円筒状巻回体は、軸方向長さを調整するために、必要に応じて両端部にトリミング等を行うことも可能である。

本発明の製造方法は、中心管２に外挿した環状板１を分離膜６の端辺側に押し付けることにより、中心管２の外周面と分離膜６の内周側端部１６との間に接着樹脂を進入させる工程と、その接着樹脂により環状板１を固着しつつ、中心管２の外周面と分離膜６の内周側端部１６との間に内周側封止部１７を形成する工程とを有する。

手順としては、中心管２と、透過側流路材５と封筒状膜３先端との間に生じた隙間に対してまず接着樹脂を塗布し、隙間開口部に樹脂で蓋をする、続いて、環状板１にて接着樹脂を隙間に押し込むと同時に、環状板１を中心管２の外周面を取り囲む端部に貼り付ける。

この接着樹脂としてはウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂を用いることができ、好ましくは、接着樹脂は隙間の中に充填された時点の形状を保持する物が好ましい。さらに詳しくは、接着樹脂が揺変性の接着剤、あるいはホットメルト樹脂であることが好ましい。特に、前述の理由から、初期粘度が２Ｐａ・ｓ〜６０Ｐａ・ｓであり、５分後粘度が１００Ｐａ・ｓ以上となる２液混合接着剤であることがより好ましい。

環状板１は、樹脂、金属、セラミックス等いずれでも良いが、スパイラル型分離膜エレメントの使用雰囲気に対して耐性のあるものを使用するのが好ましい。環状板１の寸法については、中心管２の外寸をＭとするとき、環状板１の内寸Ａが、Ｍ×１．０〜Ｍ×１．１の範囲にあり、外寸Ｂが、Ｍ×１．３〜Ｍ×２．０の範囲にあることが、前述の理由から好ましい。

また、製造上好ましい理由は次の通りである。環状板１の内寸Ａが中心管２の外寸Ｍよりも小さくなると、環状板１を装着することが物理的に不可能となる。また、外寸Ｍの１．１倍よりも大きくなると、中心管２の外周界面に生じた隙間に接着樹脂を押し込めなくなり、発明の目的を達成できなくなる。環状板１の外寸Ｂが外寸Ｍの１．３倍より小さくなると、全ての隙間に樹脂を押し込めなくなる。また、外寸Ｍの２．０倍を越えると、供給側流路を塞ぎ偏流が発生し易くなる。

また、環状板１の厚みは０．３ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲にあることが好ましい。０．３ｍｍより薄いと、高圧に対する保護効果小さくなる傾向がある。５．０ｍｍより厚いと、シールキャリア等の部品取り付けスペースが確保できなくなる傾向がある。

上記のような環状板１の押し付けによって、中心管２の外周面と分離膜６の内周側端部１６との間に接着樹脂を進入させることができるが、本発明では、環状板１からの距離が２〜１０ｍｍの位置まで接着樹脂を進入させることが好ましい。これによって、より確実に、エレメントの変形や高圧の負荷に対しても、中心管の周囲の封止部のシール性を十分維持することができる。

分離膜ユニットを積層する際の数量は、必要とされる透過流量に応じて決まるものであり、１層以上であればよいが、操作性を考慮すると１００層程度が上限である。但し、本発明では、エレメントの変形や高圧の負荷に対しても、中心管の周囲の封止部のシール性を十分維持する観点から、中心管２の外周長さ１０ｍｍあたり、１〜４層を積層する場合に本発明が特に有効となる。なお、分離膜ユニットＵの積層数量が大きいほど、各分離膜ユニットの巻回回数が少なくなる。

本発明のスパイラル型膜エレメントは、通常、外装材により拘束されて拡径しない構造になっているが、外装材は、円筒状巻回体の表面に単数又は複数のシートを巻回することができる。外装材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ガラス繊維布等が使用できる。

本発明のスパイラル膜エレメントには、図１に示すように、中心管２に巻き回された円筒状巻回体の両端にはシールキャリア８が取り付けられている。更に変形（テレスコープ等）を防止するための有孔の端部材や、シール材、補強材などを必要に応じて設けることができる。

［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、２つの環状板が分離膜の軸方向両側の端辺の内周側に固着されている例を示したが、本発明における環状板は、軸方向両側の少なくとも何れかに設けられていればよい。

（２）前述の実施形態では、環状板の外形が円形である例を示したが、本発明では、環状板の外形は、中心管の外周に形成された内周側封止部を覆う部分が存在する限り、特に限定されない。例えば多角形や星形などでもよく、またテレスコープ防止部材と一体化されたような形状でもよい。

（３）前述の実施形態では、本発明の製造方法により本発明のスパイラル膜エレメントを製造する場合の例を示したが、本発明のスパイラル膜エレメントは他の方法で製造したものでもよく、予め環状板以外の治具等で、接着樹脂を内周側封止部に充填した後、環状板を接着樹脂で固着するなどしてもよい。

（４）前述の実施形態では、複数の分離膜を用いて、各々を略中央で屈曲させたものを積層する例を示したが、本発明では、連続した分離膜を用いて、交互に複数屈曲させる際に、透過側流路材と供給側流路材とを介在させることにより、外周側封止部を省略したスパイラル型分離膜エレメントとしてもよい。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

実施例１
スパイラル型分離膜エレメントの製造工程において、中心管の外周近傍に発生した長さ５ｍｍ、幅２ｍｍの隙間に対して、揺変性ウレタン樹脂（フーラー社製、ＵＲ−３５０１）を３ｇ塗布し、環状板（厚み０．７ｍｍ、内径３９．３ｍｍ、外径５６．０ｍｍ、材質ＡＢＳ樹脂）を押し付け貼り付けた。なお、中心管外径は３８．５ｍｍである。隙間の中への樹脂充填深さは、７ｍｍであった。

比較例１
環状板を使用せずに、中心管外周近傍に発生した同じ形状の隙間に対して、揺変性ウレタン樹脂を同量塗布して、そのまま硬化させたこと以外は、実施例１と同じ条件でスパイラル型分離膜エレメントを作製した。その結果、隙間の中への樹脂充填深さは、１ｍｍであった。

以上の結果より、実施例１では比較例１の７倍の深さまで樹脂が充填されており、圧力・温度変化あるいはスパイラル型分離膜エレメントの変形、あるいは、高圧に対する耐性が向上し、信頼性の高いスパイラル型分離膜エレメントが得られた。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例を示す軸方向の断面図 図１に示すスパイラル型分離膜エレメントの端面を示す要部図 図１に示すスパイラル型分離膜エレメントのＢ−Ｂ断面図 従来のスパイラル型分離膜エレメントを示す一部切り欠き斜視図 従来のスパイラル型分離膜エレメントを示す軸方向の断面図 図５のスパイラル型分離膜エレメントのＡ−Ａ断面図 図５のスパイラル型分離膜エレメントの端面を示す要部図

符号の説明

１ 環状板
２ 中心管
３ 封筒状膜
４ 供給側流路材
５ 透過側流路材
６ 分離膜
７ 両端封止部
８ シールキャリア
１６ 膜の内周側端部（膜先端）
１７ 膜の内周側封止部
５１ 供給側流体
５２ 透過側流体
５３ 濃縮流体

Claims (4)

1. 分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、
   前記中心管の外周面と前記分離膜の内周側端部との間に介在する接着樹脂により内周側封止部が形成されていると共に、少なくともその内周側封止部によって前記中心管に外挿された環状板が前記分離膜の端辺の内周側に固着されていることを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。
2. 前記中心管の外寸をＭとするとき、前記環状板の内寸Ａが、Ｍ×１．０〜Ｍ×１．１の範囲にあり、外寸Ｂが、Ｍ×１．３〜Ｍ×２．０の範囲にある請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。
3. 分離膜と供給側流路材と透過側流路材とを積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体を形成する工程と、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部を形成する工程とを有するスパイラル型膜エレメントの製造方法において、
   前記中心管に外挿した環状板を前記分離膜の端辺側に押し付けることにより、前記中心管の外周面と前記分離膜の内周側端部との間に接着樹脂を進入させる工程と、その接着樹脂により前記環状板を固着しつつ前記中心管の外周面と前記分離膜の内周側端部との間に内周側封止部を形成する工程と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方法。
4. 前記接着樹脂が初期粘度が２Ｐａ・ｓ〜６０Ｐａ・ｓであり、かつ、５分後の粘度が１００Ｐａ・ｓ以上となる２液混合接着剤である請求項３に記載のスパイラル型分離膜エレメントの製造方法。

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