JP4488431B2

JP4488431B2 - スパイラル型分離膜エレメント

Info

Publication number: JP4488431B2
Application number: JP2005370223A
Authority: JP
Inventors: 眞一地蔵
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007167783A

Description

本発明は、液中に溶存している成分を分離するスパイラル型分離膜エレメントに関し、透過側の圧力損失を従来より小さくでき、且つ、原水側の圧力により透過側流路材に押付けられる際に生じる膜の変形が最小限に抑えられ、膜性能を保持する透過側流路材を内蔵したスパイラル型分離膜エレメントに関する。

従来のスパイラル型分離膜エレメントの構造としては、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の積層体の単数または複数が、有孔の中空状集水管の周りに巻きつけられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この膜エレメントでは、原液が一端面より供給され、供給側流路材に沿って流動しながら分離膜で濾過され、他端面より濃縮液が取り出される。分離膜で濾過された透過液は透過側流路材に沿って流動して、集水管の孔から流入し、集水管内を流動する。このため、分離操作のエネルギー効率を高める上で、透過側流路材に沿って透過液が流動する際の圧力損失が小さいほど好ましい。また、分離操作の際には、透過側流路材が外側から膜を介して高圧で加圧されるため、透過側流路材が加圧されても透過液の流路を十分確保し、分離膜の変形なども生じにくい構造が好ましい。

従来、このような透過側流路材としては、織物や編物などが用いられてきた。特に、編物としては、３枚オサを用いたトリコット編機により、地編地の凸部分になる繊維が地組織の繊維より太い繊度のものを用い、かつ融着繊維を編み込んで編地全体を剛直構造にした流路材が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、２枚オサを有するトリコット編機により編成されたトリコット編地で、かつ地組織部分と凸部分とを有する流路材であって、前記トリコット編地を構成する繊維は、高融点成分が芯に配置され、低融点成分が鞘に配置された芯鞘型コンジュゲート繊維からなる熱可塑性合成繊維フィラメント糸条であり、前記地組織部分と凸部分とを構成する熱可塑性合成繊維フィラメント糸条は、実質的に同一繊度であり、前記トリコット編地の構成糸条は互いに接着され編地全体が剛直化されている流路材が知られている（例えば、特許文献３参照）。

上記のようなトリコットまたは両面にニードルループを形成するシンプレックス（ダブルトリコット）構造の編地は、図５〜図６に模式的に示すように、いずれも、複数のニードルループ２１がそれぞれ流路方向ＦＤに繰り返し連続して複数列に形成された凸部分２２（ニードルループ部）と、前記ニードルループ２１同士を構成糸２３で連結する地組織部分２４（シンカーループ部）とを有する（図５では地組織部分の図示を省略）。

図７には、トリコットの編地を地組織部分２４の側から見た平面図を示しており、（ａ）はハーフ編みの組織図、（ｂ）は逆ハーフ編みの組織図の例である。このように、凸部分２２を形成するニードルループ２１同士は、地組織部分２４を形成する構成糸２３で二次元的に連結されている。なお、図７において、２種の斜線で示す構成糸２３は、フロント筬の糸２３ａとバックフロント筬の糸２３ｂとの編みパターンを示している。また、この例では、これらの糸によって、ニードルループ２１が二重ループとして形成される。

そして、図５に示すように、凸部分２２において連続する個々のニードルループ２１は丸みを帯びており、隣接するニードルループ２１との間の溝２５は、場所によって幅が広い箇所２５ａと狭い箇所２５ｂができる。この狭い箇所２５ｂが水流にとって抵抗となり、圧力損失を増加させる原因となっていた。また、幅が広い箇所２５ａでは操作圧力により膜の陥没が生じ、流路断面積を減少させ流路抵抗を増加させ、また、膜面においては、膜が伸ばされることでダメージとなり阻止性能低下を引き起こすという問題がある。

つまり、透過側流路材には、透過液が効率的に流れるために必要な流路断面積が確保されることと、原水側の圧力により膜が押さえつけられる際に、膜が変形しないよう支持する構造であることが要求される。

特開平１０−１３７５５８号公報特公平３−６６００８号公報号公報特開２０００−３５４７４３号公報

そこで、本発明の目的は、透過側流路の圧力損失を低減でき、しかも分離操作の際の加圧による膜の陥没や膜の変形が生じにくいスパイラル型分離膜エレメント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分離膜エレメントは、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材が積層状態で有孔の集水管の周囲にスパイラル状に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記透過側流路材は、複数のニードルループがそれぞれ流路方向に繰り返し連続して複数列に形成された凸部分と、前記ニードルループ同士をその構成糸で連結する地組織部分とを有する編地であるとともに、前記凸部分のニードルループの形成位置を一列おきに流路方向にずらすことにより、隣り合うニードルループがジグザグに配置されていることを特徴とする。

本発明によると、前記凸部分のニードルループの形成位置を一列おきに流路方向にずらすことにより、隣り合うニードルループがジグザグに配置されているため、ニードルループの最大幅部が隣り合わずに、凸部分間に生じる溝幅がより均一になる。このため、透過側流路の圧力損失を低減でき、しかも分離操作の際の加圧による膜の陥没や膜の変形が生じにくい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。

上記において、前記透過側流路材は、隣り合う前記ニードルループがジグザグに配置される際に、前記ニードルループの流路方向の形成ピッチの１／３〜２／３の範囲で、ニードルループの形成位置を一列おきに流路方向にずらしてあることが好ましい。この範囲でニードルループの形成位置をずらすことによって、凸部分間に生じる溝幅をより均一にすることができる。

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製造方法の一例を示す工程図であり、図２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部分破断した斜視図である。図３〜図４は、本発明のスパイラル型分離膜エレメントの透過側流路材の例を示す平面図である。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、透過側流路材の形状のみが従来のものと異なっており、他の構造、材料などについては、従来のスパイラル型分離膜エレメントの構成をいずれも適用することができる。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、図１〜図２に示すように、分離膜１、供給側流路材２、および透過側流路材３が積層状態で、有孔の集水管５の周囲にスパイラル状に巻回されている。この円筒状巻回体Ｒに対し、通常、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。封止部には、両端封止部１１と外周側封止部１２が含まれる。

図２に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は、両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在する。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。

円筒状巻回体Ｒは、分離膜１と供給側流路材２と透過側流路材３とを積層状態で有孔の集水管５の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体Ｒ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１１，１２を形成する工程とによって製造することができる。

具体的には、例えば、図１に示す実施形態により製造することができる。図１の（ａ）は、分離膜ユニットの組立斜視図であり、（ｂ）は、分離膜ユニットを積層して巻回する前の状態を示す正面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと透過側流路材３とを積み重ね、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐ封止部を形成するための接着剤４，６を、透過側流路材３の軸方向両端部および巻回終端部に塗布したユニットを準備する。このとき、分離膜１の折目部分に保護テープを貼り付けても良い。また、二つ折りにしたユニットＵは、長さが５００〜２０００ｍｍ、好ましくは７００〜１５００ｍｍである。

分離膜１には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ガス分離膜、脱ガス膜などが使用できる。供給側流路材２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。透過側流路材３については、後述する。

有孔の集水管５は、管の周囲に開孔を有するものであり、集水管５の材質は、樹脂、金属など何れでもよいが、ノリル樹脂、ＡＢＳ樹脂等のプラスチックが通常使用される。

接着剤４，６としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、ホットメルト接着剤等、従来公知の何れの接着剤も使用することができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、この分離膜ユニットＵの複数を積層し、有孔の集水管５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Ｒを得る。その際、集水管５の周囲の封止を同時に行っても良い。円筒状巻回体Ｒは、軸方向の長さを調整するために、必要に応じて両端部がトリミング等される。

分離膜ユニットＵ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層以上であれば良いが、操作性を考慮すると１００層程度が上限である。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Ｕの巻回回数が少なくなる。分離膜ユニットＵの長さが長いほど、積層数量が少なくなる。

本発明は、上記のようなスパイラル型分離膜エレメントにおいて、図３〜図４に示すように、透過側流路材３は、複数のニードルループ２１がそれぞれ流路方向ＦＤに繰り返し連続して複数列に形成された凸部分２２と、前記ニードルループ２２同士をその構成糸で連結する地組織部分２４とを有する編地であるとともに、前記凸部分２２のニードルループ２１の形成位置を一列おきに流路方向ＦＤにずらすことにより、隣り合うニードルループ２１がジグザグに配置されていることを特徴とする。なお、流路方向ＦＤは円筒状巻回体Ｒの軸心方向に平行な方向に対して略垂直方向に配置されるのが一般的である。

上記の構成によって、図３に示すように、ニードルループの最大幅部２１ａが隣り合わなくなり、凸部分２２間に生じる溝２５の幅がより均一になる。その結果、透過側流路の圧力損失を低減でき、しかも分離操作の際の加圧による膜の陥没や膜の変形が生じにくいスパイラル型分離膜エレメントを提供できる。

本発明では、隣り合うニードルループ２１がジグザグに配置される際に、ニードルループ２１の流路方向ＦＤの形成ピッチＰの１／３〜２／３の範囲で、ニードルループ２１の形成位置を一列おきに流路方向ＦＤにずらしてあることが好ましい。つまり、ずれ幅ＳがＰ／３〜２Ｐ／３の範囲に位置することが好ましい。

複数のニードルループ２１がそれぞれ流路方向ＦＤに繰り返し連続して複数列に形成された凸部分２２を有する編地としては、種々の経編の編地が例示される。例えば、一枚筬を用いて１重ループを形成する編地として、デンビー編、コード編、チェイン編、アトラス編、二枚筬を用いて２重ループを形成する編地として、ハーフ編、逆ハーフ編、クインズコード編、ダブルアトラス編が挙げられ、その他、三枚筬を用いて３重ループを形成する編地などが挙げられる。

本発明において、隣り合うニードルループ２１をジグザグに配置するには、上記のような編地を１段づつ編んでいく際に、先端位置を１つおきにずらしてジグザグに配置したニードルを使用して、ニードルループ２１の形成位置がジグザグになるようにするだけでよい。この方法は、上記の何れの編地にも適用できる。

従って、本発明における透過側流路材３の地組織部分２４は、編地の種類によって構造が相違する。図４は、トリコットの編地を地組織部分２４の側から見た平面図を示しており、（ａ）はハーフ編みの組織図、（ｂ）は逆ハーフ編みの組織図の例である。この図のように、凸部分２２を形成するニードルループ２１同士は、地組織部分２４を形成する構成糸２３で二次元的に連結されている。なお、図４において、２種の斜線で示す構成糸２３は、フロント筬の糸２３ａとバックフロント筬の糸２３ｂとの編みパターンを示している。また、この例では、これらの糸２３ａ，２３ｂによって、ニードルループ２１が二重ループとして形成される。

本発明では、図６に示す寸法として、透過側流路材３の全厚みｔは０．１〜１ｍｍであるのが好ましく、０．２〜０．４ｍｍがより好ましい。また、溝２５の深さＤＧが全厚みｔの３０〜７０％、溝幅ＷＧは平均値で０．０８〜０．６ｍｍであるのが好ましい。また、溝幅ＷＧの最小値と最大値との差が平均溝幅に対して４０％以下が好ましく、より好ましくは２０％以下である。

また、高圧の原液に対して簡単に潰れることがないように、編成後に硬化加工を施してもよく、例えばエポキシ樹脂などを含浸させておこなうものや、加熱・融着させる方法が挙げられる。

使用する透過側流路材３は、材質としてポリエステルなどの樹脂が一般的であるが、これに限定されるものではない。例えば、低融点成分と高融点成分とからなる熱可塑性合成繊維フィラメント糸を使用することも可能である。複合糸を用いる場合、鞘側に低融点成分を配置し、芯側に高融点成分を配置した芯鞘型複合糸が接着性に優れることから好ましい。

高融点成分と低融点成分との代表的な組合せは、高融点ポリエステルと低融点ポリエステル、高融点ポリアミドと低融点ポリアミド、高融点ポリオレフィンと低融点ポリオレフィンなどがあり、このうちでも融着加工後の剛性などの点から高融点ポリエステルと低融点ポリエステルとの組合せが好ましい。低融点成分は一般的に高分子共重合体とすることによって簡単に得ることができ、その融点差は共重合比率の変更、共重合成分の追加、共重合成分の変更、立体規則性あるいは重合度の変更等によって変更することができる。

透過側流路材３は、その用途を何ら限定するものではなく、各用途において透過液量と圧力に応じた溝幅を設定することにより、その効果が発揮される。透過側流路材３の構成糸の繊度は、２０〜１２０デニールの範囲であることが好ましく、４０〜７５デニールの範囲であることがより好ましい。

このような透過側流路材３の製造方法について、まず、図４（ａ）に示すハーフ編地の場合について説明する。このようなハーフ編地は、２枚のオサ数のトリコット編機により編成できる。

フロント筬の糸２３ａは最初の段でニードルループ２１を作ると、次に左に２針移行してこの針に糸が誘導されて次の段のニードルループ２１を作り、更に次に右に２針移行して元の位置に戻ってこの針に糸が誘導されて次の段のニードルループ２１を作り、同様の筬の動きを繰り返して編地を作っていく。一方、バック筬の糸２３ｂは最初の段でニードルループ２１を作ると、次に右（フロント筬と反対方向）に１針移行してこの針に糸が誘導されて次の段のニードルループ２１を作り、更に次に左に１針移行して元の位置に戻ってこの針に糸が誘導されて次の段のニードルループ２１を作り、同様の筬の動きを繰り返して編地を作っていく。

その際、先端位置を１つおきにずらしてジグザグに配置したニードルを使用して、ニードルループ２１の形成位置がジグザグになるように編成することによって、隣り合うニードルループ２１をジグザグに配置することができる。このとき、ニードルの先端位置のずれ幅を変えることによって、隣り合うニードルループ２１のずれ幅を変えることができる。

図４（ｂ）に示す逆ハーフ編地の場合は、フロント筬の糸２３ａのパターンとバック筬の糸２３ｂのパターンとが逆転するだけであり、基本的には同様の方法で、ニードルループ２１の形成位置をジグザグにすることができる。また、他の編地についても、基本的には、先端位置が直線上に配置されたニードルを用いる代わりに、先端位置を１つおきにずらしてジグザグに配置したニードルを使用することで、ニードルループ２１の形成位置をジグザグにすることができる。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、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型分離膜エレメントには、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、モノフィラメント糸で編地を形成する例を示したが、本発明における透過側流路材は、マルチフィラメント糸で編成した編地であってもよい。その場合、マルチフィラメント糸が融点の異なるフィラメントを含むようにしてもよい。

（２）前述の実施形態では、透過側流路材が経編みによる編地である例を示したが、本発明における透過側流路材は、横編みによる編地であってもよい。横編みによる編地において、隣り合うニードルループ２１をジグザグに配置するには、構成糸により横方向に１つずつニードルループを形成していく際に、１つおきにジグザクの位置にニードルループが形成されるように、各々のニードルの動作を制御すればよい。

（３）前述の実施形態では、図１に示すように、供給側流路材２を挟みこむように二つ折りにした分離膜１の上に、透過側流路材３を重ねて、接着剤４，６を塗布する例で説明したが、本発明では、透過側流路材３の上に二つ折りにした分離膜１を重ねその上に接着剤４，６を塗布することも可能である。

（４）前述の実施形態では、図１に示すように、複数の分離膜ユニットＵを使用して、複数の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造する例を示したが、本発明では、 1組の分離膜ユニットＵを使用して、１枚の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造してもよい。

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
ニードルループのずれ幅が１／２ピッチとなるように、下記の表１に示す条件で、図４（ｂ）に示す構造のバック（逆）ハーフトリコット編地を作製した。得られた透過側流路材を高圧負荷型流路抵抗測定セル（流路幅７６mm、流路長６７mm）にセットし、高圧（５．５ＭＰａ）を負荷しながら、純水を流した時の平均線流速と圧力損失の関係を測定した。その結果を図８に示す。

実施例２
実施例１において、ニードルループのずれ幅を１／３ピッチとして下記の表１に示す溝幅としたこと以外は、実施例１と全く同じ条件で図４（ｂ）に示す構造のバック（逆）ハーフトリコット編地を作製し、同様にして平均線流速と圧力損失の関係を測定した。その結果を図８に示す。

比較例１
ニードルループが直線上に配置されるように、下記の表１に示す条件で、図７（ｂ）に示す構造のバック（逆）ハーフトリコット編地を作製した。得られた透過側流路材について、実施例１と同様にして平均線流速と圧力損失の関係を測定した。その結果を図８に示す。

表１に示すように、実施例１〜２の透過側流路材では、比較例１と比べて最大溝幅と最少溝幅との差が小さくなっているため、図８に示すように、実施例１では１３％の圧力損失の低減がみられ、実施例２では８％の圧力損失の低減がみられた。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図本発明のスパイラル型分離膜エレメントの透過側流路材の一例を示す要部模式図本発明のスパイラル型分離膜エレメントの透過側流路材の例を示す要部図従来のスパイラル型分離膜エレメントの透過側流路材の一例を示す要部模式図従来のスパイラル型分離膜エレメントの透過側流路材の一例を示す要部模式図従来のスパイラル型分離膜エレメントの透過側流路材の例を示す要部図実施例等における透過側流路材の圧力損失の評価結果を示すグラフ

符号の説明

１分離膜
２供給側流路材
３透過側流路材
５集水管
２１ニードルループ
２２凸部分
２３構成糸
２４地組織部分
２５溝
Ｐニードルループの形成ピッチ
Ｓニードルループのずれ幅
ＦＤ流路方向

Claims

分離膜、供給側流路材及び透過側流路材が積層状態で有孔の集水管の周囲にスパイラル状に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントにおいて、
前記透過側流路材は、複数のニードルループがそれぞれ流路方向に繰り返し連続して複数列に形成された凸部分と、前記ニードルループ同士をその構成糸で連結する地組織部分とを有する編地であるとともに、前記凸部分のニードルループの形成位置を一列おきに流路方向にずらすことにより、隣り合うニードルループがジグザグに配置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。
前記透過側流路材は、隣り合う前記ニードルループがジグザグに配置される際に、前記ニードルループの流路方向の形成ピッチの１／３〜２／３の範囲で、ニードルループの形成位置を一列おきに流路方向にずらしてある請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。