JP5536078B2 - 螺旋状に巻かれた膜セパレータアセンブリ - Google Patents

螺旋状に巻かれた膜セパレータアセンブリ Download PDF

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Description

本発明には、一般にセパレータアセンブリに関する実施形態が含まれる。様々な実施形態では、本発明は、螺旋流セパレータアセンブリに関する。また、本発明には、セパレータアセンブリを製造するための方法が含まれる。
従来のセパレータアセンブリは、通常、多孔性排出コンジットの周囲に配置された折畳み多層膜アセンブリを備える。折畳み多層膜アセンブリは、能動表面及び受動表面を有する膜層の能動表面と接触する供給キャリヤ層及び膜層の受動表面及び多孔性排出コンジットと接触する透過液キャリヤ層を備え、供給キャリヤ層を透過液キャリヤ層又は多孔性排出コンジットに接触させることなく、供給キャリヤ層、膜層及び透過液キャリヤ層が層間の接触を確実にするように折り畳まれている。動作中には、溶質を含んだ供給溶液が多層膜アセンブリの供給キャリヤ層と接触し、そこから供給溶液が膜層の能動表面に透過され、供給溶液の一部が改質され、透過液として透過液キャリヤ層に浸透される。また、この供給溶液は、膜層の能動表面での溶質の付着を断ち切り、多層膜アセンブリの過剰な溶質を輸送するように働く。透過液は、透過液キャリヤ層を介して、透過液を収集する多孔性排出コンジットの中へ流通する。折畳み多層膜アセンブリを備えたセパレータアセンブリは、逆浸透プロセス、限外濾過プロセス及び微細濾過プロセスを始めとする様々な流体精製プロセスに使用される。
折畳み多層膜アセンブリは、能動表面及び受動表面を有する膜層の能動表面を供給キャリヤ層の両面に接触させることによって製造することができ、膜層が折り畳まれ、それにより供給キャリヤ層を覆い包むポケット様構造が生成される。膜層の受動表面が1以上の透過液キャリヤ層と接触して膜スタックアセンブリが生成され、この膜スタックアセンブリ内の供給キャリヤ層と1以上の透過液キャリヤ層の間に折畳み膜層が配置される。次に、それぞれ1以上の共通透過液キャリヤ層と接触する複数のこのような膜スタックアセンブリが、この共通透過液キャリヤ層と接触する多孔性排出コンジットの周囲に巻き付けられ、それにより多層膜アセンブリ及び多孔性排出コンジットを備えたセパレータアセンブリが提供される。膜スタックアセンブリの縁は、供給溶液が透過液キャリヤ層と接触するのを防止するために適切に封止されている。従来の折畳み多層膜アセンブリは、供給溶液がアセンブリの軸に沿って(アセンブリを通る交差流の方向に沿って)アセンブリを流通するセパレータアセンブリに使用されているため、このような折畳み多層膜アセンブリは、とりわけ層状構造が折り重なりやすく、また、そのために透過液キャリヤ層が汚染しやすい。また、膜層を折り畳むことに起因するその欠点のため、膜の機能が損なわれ、そのために供給溶液と透過液キャリヤ層の間に制御されない接触がもたらされる可能性がある。
米国特許第3933646号明細書
したがって、1以上の多層膜アセンブリを備えたセパレータアセンブリの設計及び製造のさらなる改善が求められている。とりわけ人間が消費する水精製の分野においては、効率及び費用効果の両方に優れた、より頑丈、且つより信頼性の高いセパレータアセンブリがいやおうなく求められている。
一実施形態では、本発明により、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層及び1以上の膜層を備え、供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に膜層が配置された膜スタックアセンブリと、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントとを備えたセパレータアセンブリが提供され、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、膜スタックアセンブリの第1の部分によって分離され、膜スタックアセンブリの第2の部分が、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成し、供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、また、透過液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、また、濃縮液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。
他の実施形態では、本発明により、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層及び1以上の塩阻止膜層を備え、供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に塩阻止膜層が配置された膜スタックアセンブリと、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントとを備えた塩セパレータアセンブリが提供され、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、膜スタックアセンブリの第1の部分によって分離され、膜スタックアセンブリの第2の部分が、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成し、供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、また、透過液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、また、濃縮液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は、塩セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。
さらに他の実施形態では、本発明により、(a)加圧可能ハウジングと、(b)セパレータアセンブリであって、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層及び1以上の膜層を備え、供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に膜層が配置された膜スタックアセンブリと、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントとを備えたセパレータアセンブリとを備えた螺旋流逆浸透装置が提供され、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、膜スタックアセンブリの第1の部分によって分離され、膜スタックアセンブリの第2の部分が、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成し、供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、また、透過液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、また、濃縮液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しておらず、加圧可能ハウジングは、セパレータアセンブリの外部表面に供給溶液を提供するように構成された1以上の供給入口を備えており、また、加圧可能ハウジングは、透過液排出コンジットに結合された1以上の透過液排出出口、及び濃縮液排出コンジットに結合された1以上の濃縮液排出出口を備える。
さらに他の実施形態では、本発明により、セパレータアセンブリを製造するための方法が提供され、この方法は、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントを用意し、1以上の透過液キャリヤ層、1以上の供給キャリヤ層及び1以上の膜層を備えた膜スタックアセンブリの第1の部分を、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットが膜スタックアセンブリの第1の部分によって分離されるように中央コアエレメントの中に配置し、且つ、膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置し、また、セパレータアセンブリを提供するために、結果として得られる巻かれたアセンブリを封止することを含んでなり、濃縮液排出コンジットと透過液排出コンジットは非接触であり、供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、また、透過液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、また、濃縮液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。
本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。
本発明の様々な特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、より深く理解されよう。図面の中の同様の文字は、すべての図面を通して同様の部品を表している。
従来のセパレータアセンブリのコンポーネント及びそのアセンブリ方法を示す図である。 本発明の一実施形態により構成された膜スタックアセンブリ及び中央コアエレメントを示す図である。 本発明の一実施形態により構成された膜スタックアセンブリ及び中央コアエレメントを示す図である。 本発明の一実施形態により構成された膜スタックアセンブリ及び中央コアエレメントを示す図である。 本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリを示す図である。 本発明の一実施形態による螺旋流逆浸透装置を示す図である。 本発明の一実施形態による螺旋流逆浸透装置を示す図である。 本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリを製造する方法を示す図である。 本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリを製造する方法を示す図である。 本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリを製造する方法を示す図である。 本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリを示す図である。 本発明の一実施形態による中央コアエレメント及び中央コアエレメントコンポーネントを示す図である。 本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリを示す図である。 本発明の一実施形態により使用される加圧可能ハウジングを示す図である。 本発明の一実施形態による中央コアエレメントを示す図である。 本発明の一実施形態による中央コアエレメントを示す図である。 本発明の一実施形態による中央コアエレメントを示す図である。 本発明の一実施形態による中央コアエレメントを示す図である。
以下の本明細書及びそれに続く特許請求の範囲では、いくつかの用語を参照するが、それらは、以下の意味を有するように定義するものとする。
単数形の表現には、別段文脈によって示されていない限り、複数形の表現が含まれる。
「任意選択の」又は「任意選択で」は、その後に引き続いて説明されている事象又は状況が生じることも、生じないこともあることを意味しており、また、その説明には、その事象が生じる場合及びその事象が生じない場合が含まれることを意味している。
本明細書及び特許請求の範囲全体を通して使用される近似を表す語は、関連付けられている基本機能が変化することなく許容可能に変わることができる任意の定量的表現を修飾するように適用することができる。したがって「約」及び「実質的に」などの1以上の用語によって修飾される値は、明記されているその値に限定されない。少なくともいくつかの例では、近似を表す語は、値を測定するための機器の精度に対応することがある。本明細書及び特許請求の範囲全体を通して、範囲の限定は、組合せ及び/又は相互交換が可能であり、このような範囲は識別され、また、このような範囲には、別段文脈又は言葉によって示されていない限りこの範囲の中に包含されているあらゆる副範囲が含まれる。
指摘したように、一実施形態では、本発明により、膜スタックアセンブリ及び中央コアエレメントを備えたセパレータアセンブリが提供される。膜スタックアセンブリは、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層及び1以上の膜層を備えており、膜層は、供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に配置されている。中央コアエレメントは、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備える。膜スタックアセンブリの第1の部分は中央コアエレメントの中に配置されており、濃縮液排出コンジットを透過液排出コンジットから分離する。濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、互いに接触しない、と言われる。膜スタックアセンブリの第2の部分は、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成する。多層膜アセンブリは、膜スタックアセンブリの一部(第2の部分)を備えるため、この多層膜アセンブリは、膜スタックアセンブリと同じエレメント、つまり1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層、及び供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に配置された1以上の膜層を備える。膜スタックアセンブリの第1の部分は、供給キャリヤ層が濃縮液排出コンジットと接触し、透過液排出コンジットとは接触しないように、また、透過液キャリヤ層が透過液排出コンジットと接触し、濃縮液排出コンジットとは接触しないように中央コアエレメントの中に配置されている。膜スタックアセンブリの第2の部分は、供給キャリヤ層が透過液排出コンジットと接触しないように、また、透過液キャリヤ層が濃縮液排出コンジットと接触しないように多層膜アセンブリを形成するために、中央コアエレメントの周囲に配置されている。さらに、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。
指摘したように、中央コアエレメントは、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットを備える。濃縮液排出コンジットは、典型的にはセパレータアセンブリの長さにわたって通っている多孔性の管であるが、他の構成、例えばセパレータアセンブリの長さにわたって通っている、円筒状であってもなくてもよい縦方向の溝構造も、濃縮液排出コンジットという用語の意味に入る。濃縮液排出コンジットとして機能させることができる適切な多孔性の管には、多孔金属管、多孔プラスチック管、多孔セラミック管などがある。一実施形態では、濃縮液排出コンジットには孔が穿たれていないが、濃縮液排出コンジットは、供給キャリヤ層からの流体をこの濃縮液排出コンジットの内部へ流通させることができる十分な多孔性を備える。供給キャリヤ層から濃縮液排出コンジットの中へ流通する流体は、本明細書では濃縮液と呼ばれることがある。一実施形態では、濃縮液排出コンジットは、多孔性の半円筒形の管である。一代替実施形態では、濃縮液排出コンジットは、多孔性の半八角形の管である。他の実施形態では、濃縮液排出コンジットは、多孔性の半十面体形の管である。さらに他の実施形態では、濃縮液排出コンジットは、多孔性の半四十面体形の管である。一実施形態では、濃縮液排出コンジットは、多孔性の涙滴状の形の管である。濃縮液排出コンジットは、セパレータアセンブリ内に現れる毎に同じ形状又は異なる形状を有することができる。一実施形態では、セパレータアセンブリは、同じセパレータアセンブリ内にある透過液排出コンジットとは異なる形状を有する1以上の濃縮液排出コンジットを備える。他の実施形態では、セパレータアセンブリ内にある濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、すべて同じ形状を有している。一実施形態では、濃縮液排出コンジットは、多孔性の修正半円筒形の管である。本明細書において開示されているように、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、1以上のスペーサエレメントを備えることが有利であることがある。中央コアエレメントコンポーネントと迎合するスペーサエレメントは、膜スタックアセンブリの第1の部分を配置することができる空洞を中央コアエレメント内に生成している。
同様に、透過液排出コンジットも、典型的にはセパレータアセンブリの長さにわたって通っている多孔性の管であるが、他の構成、例えばセパレータアセンブリの長さにわたって通っている、円筒状であってもなくてもよい縦方向の溝構造も、透過液排出コンジットという用語の意味に入る。透過液排出コンジットとして機能させることができる適切な多孔性の管には、多孔金属管、多孔プラスチック管、多孔セラミック管などがある。一実施形態では、透過液排出コンジットには孔が穿たれていないが、透過液排出コンジットは、透過液キャリヤ層からの流体をこの透過液排出コンジットの内部へ流通させることができる十分な多孔性を備える。透過液キャリヤ層を介した流体の流れは、本明細書では浸透と呼ばれることがある。同様に、透過液キャリヤ層から透過液排出コンジットの中へ流通する流体は、本明細書では透過液と呼ばれることがある。一実施形態では、透過液排出コンジットは、多孔性の半円筒形の管である。一代替実施形態では、透過液排出コンジットは、多孔性の半八角形の管である。他の実施形態では、透過液排出コンジットは、多孔性の半十面体形の管である。さらに他の実施形態では、透過液排出コンジットは、多孔性の半四十面体形の管である。一実施形態では、透過液排出コンジットは、多孔性の涙滴状の形の管である。透過液排出コンジットは、セパレータアセンブリ内に現れる毎に同じ形状又は異なる形状を有することができる。一実施形態では、セパレータアセンブリは、同じセパレータアセンブリ内にある濃縮液排出コンジットとは異なる形状を有する1以上の透過液排出コンジットを備える。他の実施形態では、セパレータアセンブリ内にある透過液排出コンジット及び濃縮液排出コンジットは、すべて同じ形状を有している。
本明細書において使用される「多層膜アセンブリ」という用語は、中央コアエレメントの周囲に配置された膜スタックアセンブリの第2の部分を意味している。したがって、多層膜アセンブリは、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントの周囲に配置された、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層及び1以上の膜層の組合せである。
一実施形態では、多層膜アセンブリは、膜スタックアセンブリの第1の部分を中央コアエレメントの中に配置し、次に中央コアエレメントを回転させ、それにより膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に巻き付けることによって製造することができる。本明細書において詳細に開示されているように、膜スタックアセンブリの構成及び中央コアエレメント内への膜スタックアセンブリの配置は、巻付け構造を設けるように中央コアエレメントの周囲に膜スタックアセンブリを巻き付け(例えば図2c)、巻付け後に膜スタックアセンブリの自由端を固定したとき、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを備えたセパレータアセンブリが得られるようになっている。当業者には、いくつかの実施形態では、膜スタックアセンブリと多層膜アセンブリとの緊密な関係があること、また、膜スタックアセンブリは多層膜アセンブリの先駆体であることが理解されよう。膜スタックアセンブリを「巻かれていない」アセンブリと見なし、また、多層膜アセンブリを「巻かれた」アセンブリと見なすことが好都合である。しかしながら、膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に配置するための他の手段が使用可能であり得るので、本明細書において定義するように、多層膜アセンブリは、中央コアエレメントの中に配置された1以上の膜スタックアセンブリの「巻かれた」形態には限定されないことを強調しておかなければならない。
指摘したように、膜スタックアセンブリ及び多層膜アセンブリは、1以上の供給キャリヤ層を備える。供給キャリヤ層として使用するのに適した材料には可撓性シート様材料があり、この材料を介して供給溶液を流すことができる。本発明の様々な実施形態では、供給キャリヤ層は、供給キャリヤ層を通る供給溶液の流れが、セパレータアセンブリの外部表面で始まり濃縮液排出コンジットで終わる螺旋経路に沿って生じるように構成されている。供給キャリヤ層は、膜表面における過剰な溶質の蓄積(付着)を防止するための手段として、供給キャリヤ層と接触する膜層の表面における乱流を促進する構造を備えることができる。一実施形態では、供給キャリヤ層は多孔プラスチックシートで構成される。他の実施形態では、供給キャリヤ層は多孔金属シートで構成される。さらに他の実施形態では、供給キャリヤ層には多孔性複合材料が含まれる。さらに他の実施形態では、供給キャリヤ層はプラスチック織物である。さらに他の実施形態では、供給キャリヤ層はプラスチックスクリーンである。供給キャリヤ層は、透過液キャリヤ層と同じ材料からなっていても、透過液キャリヤ層のために使用される材料とは異なる材料からなっていてもよい。
指摘したように、膜スタックアセンブリ及び多層膜アセンブリは、1以上の透過液キャリヤ層を備える。透過液キャリヤ層として使用するのに適した材料には可撓性シート様材料があり、この材料を介して透過液を流すことができる。本発明の様々な実施形態では、透過液キャリヤ層は、動作している間、透過液が透過液キャリヤ層に沿った螺旋経路を通って透過液排出コンジットへ流れるように構成されている。一実施形態では、透過液キャリヤ層は多孔プラスチックシートで構成される。他の実施形態では、透過液キャリヤ層は多孔金属シートで構成される。さらに他の実施形態では、透過液キャリヤ層には多孔性複合物が含まれる。さらに他の実施形態では、透過液キャリヤ層はプラスチック織物である。さらに他の実施形態では、透過液キャリヤ層はプラスチックスクリーンである。
膜層として使用するのに適した膜及び材料は、当分野でよく知られている。米国特許第4277344号に、例えば、芳香族ポリアミンと、ナトリウム陽イオン、マグネシウム陽イオン及びカルシウム陽イオン並びに塩素陰イオン、硫酸塩陰イオン及び炭酸塩陰イオンの阻止を対象とした逆浸透システムに有効であることが分かっているハロゲン化ポリアシルとの反応によって製造される半浸透性膜が開示されている。米国特許第4277344号には、例えば、芳香族ハロゲン化ポリアシルと、硝酸塩などの特定の塩の阻止を対象とした逆浸透システムに有効である膜層を製造するのに有用であることが分かっている重合材料を得るための二官能基芳香族アミンとの反応によって製造される膜が開示されている。本発明の様々な実施形態における膜層として使用するのに適した様々な膜及び材料の製造が記述されている技術参考文献の多くは、当業者に知られている。さらに、本発明の様々な実施形態における膜層として使用するのに適した膜についてもよく知られており、広く市販されている物品である。
一実施形態では、複数の膜層は、官能基化表面及び非官能基化表面を備える。一実施形態では、膜層の官能基化表面は膜の能動表面を表しており、また、膜層の非官能基化表面は膜の受動表面を表している。一代替実施形態では、膜層の官能基化表面は膜の受動表面を表しており、また、膜層の非官能基化表面は膜の能動表面を表している。本発明の様々な実施形態では、膜層の能動表面は、通常、供給キャリヤ層と接触しており、供給溶液中にある1以上の溶質が膜を横切って透過液キャリヤ層へ透過するのを防止し、或いは遅延させるように働く。
本明細書において使用される「接触していない」という表現は、「直接接触」していないことを意味している。例えば、膜スタックアセンブリ又は多層膜アセンブリの2つの層は、たとえこれらの2つの層が流体連絡している場合であっても、それらの間に介在する層がある場合、流れは一般的に1つの層から他の層へその介在層を介して流通することができるため、それらは接触していない。本明細書において使用される「接触する」という表現は、「直接接触」していることを意味している。例えば、膜スタックアセンブリ又は多層膜アセンブリ内の隣接する層は、「接触する」と言われる。同様に、排出コンジットの表面に接触する層は、例えば層が排出コンジットの周囲に巻き付けられている場合と同様、流体がその層から排出コンジットの中へ流通することができることを条件として、排出コンジットと「接触する」と言われる。さらに実例として、透過液キャリヤ層は、透過液キャリヤ層が透過液排出コンジットと直接接触する場合、例えば透過液キャリヤ層が、透過液排出コンジットの表面と透過液キャリヤ層との間に介在する層が存在することなく、透過液排出コンジットの周囲に巻き付けられている場合と同様、透過液排出コンジットと接触する、と言われる。同様に、供給キャリヤ層は、例えば透過液キャリヤ層が透過液排出コンジットと直接接触し、且つ、透過液キャリヤ層が膜層によって供給キャリヤ層から分離されている場合と同様、透過液排出コンジットと接触していない、と言われる。通常、供給キャリヤ層は、透過液排出コンジットとの接触点を有していない。
一実施形態では、多層膜アセンブリは、中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置されている。本明細書において使用される「半径方向に配置された」という表現は、膜層、透過液キャリヤ層及び供給キャリヤ層が、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントの周囲に、膜層中における折畳み又は折り目の生成を制限する方法で巻き付けられていることを意味している。一般に、折り畳むことによって、或いは折り目を付けることによって膜層が変形する範囲が広いほど、膜の能動表面が損傷する可能性、膜の機能及び膜の完全性が損なわれる可能性が大きくなる。従来のセパレータアセンブリは、通常、複数の折畳みを膜層中に備えた、高度に折り畳まれた多層膜アセンブリを備える(例えば図1)。折り畳まれていない膜層が180度の平角を表していると仮定すると、高度に折り畳まれた膜層は、約340度より大きい優角を特徴とする折畳みを有している、と表現することができる。一実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリには、340度より大きい優角を特徴とする膜層折畳みは含まれていない。一代替実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリには、300度より大きい優角を特徴とする膜層折畳みは含まれていない。さらに他の実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリには、270度より大きい優角を特徴とする膜層折畳みは含まれていない。
一実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、水から塩を分離するための塩セパレータアセンブリとして使用することができる。供給溶液は、例えば海水又は汽水性の水であってもよい。通常、セパレータアセンブリは、供給溶液と供給キャリヤ層の間の、セパレータアセンブリの外部表面のみにおける初期接触を許容する加圧可能ハウジングの中に含まれる。これは、通常、加圧可能ハウジング内のセパレータアセンブリの末端を封止することによって達成される。例えば図3に示されているような完全に巻かれた構造を製造することができ、中央コアエレメントの露出部分にマスクを施すことができる。次に、完全に巻かれた構造の末端が、例えば熱接着剤などのシーラントに軽く浸され、次にこのシーラントが硬化される。これにより、動作中、供給溶液、透過液及び濃縮液を透過させない障壁で末端表面が封止されたセパレータアセンブリが得られる。この概念を例示するために、セパレータアセンブリは、それぞれ表面積がπrである第1の表面及び第2の表面を有し、且つ、表面積が2πrhである第3の表面を有する円筒と見なすことができ、「r」はセパレータアセンブリによって画成される円筒の半径であり、また、「h」は円筒の長さである。セパレータアセンブリ300の「末端」を封止する場合、2πrhの表面積を有する第3の表面(本明細書では「外部表面」及び「供給表面」とも呼ばれることがある)以外のすべての表面における供給溶液と供給キャリヤ層の接触を防止するために、第1の表面及び第2の表面の各々は封止されている。他の実施形態では、セパレータアセンブリは、様々な手段によって、加圧可能ハウジングに流入する供給溶液がセパレータアセンブリの第3の表面(「供給表面」)にのみ遭遇し、透過液及び濃縮液が第1又は第2の表面を介してセパレータアセンブリから流出することができないよう、加圧可能ハウジングにぴったりと嵌合させることができる。一実施形態では、供給溶液は、供給キャリヤ層が供給溶液と接触するセパレータアセンブリの第3の表面の複数のポイントから流入する。図5(図5c)に示されているように、膜スタックアセンブリの縁は、透過液キャリヤ層によって供給溶液が接触して透過するのを防止するために封止することができる。したがって供給溶液は、セパレータアセンブリの「供給表面」(第3の表面)からセパレータアセンブリに流入し、セパレータアセンブリの供給キャリヤ層を通る螺旋経路に沿って流通し、流通している間に膜層との接触によって供給溶液が改質され、この膜層を介して供給溶液(「透過液(permeate)」又は「透過液(the permeate)」)の一部が流通して透過液キャリヤ層と接触する。セパレータアセンブリを通る供給溶液の流通は、本明細書では、セパレータアセンブリの中にある1以上の濃縮液排出コンジットから「濃縮液」(「ブライン」とも呼ばれることがある)として現れるまで、セパレータアセンブリを通る「螺旋流」と呼ばれることがある。供給溶液、例えば海水が、供給溶液とセパレータアセンブリの外部表面(「第3の表面」)の供給キャリヤ層との間の初期接触点から濃縮液排出コンジットへ向かって移動すると、供給キャリヤ層を流通する供給溶液と接触する塩阻止膜層の作用によって供給キャリヤ層中の流体にある塩の濃度が高くなること、また、濃縮液排出コンジットに到達する濃縮液は、供給溶液として使用される海水より高い塩濃度を特徴とすることになることは当業者には理解されよう。
透過液排出コンジット及び透過液キャリヤ層の役割及び機能は、上記塩セパレータアセンブリの例を使用して例示することができる。したがって、一実施形態では、セパレータアセンブリは、水から塩を分離するための塩セパレータアセンブリとして使用することができる。供給溶液、例えば海水は、濃縮液排出コンジットから離れた供給キャリヤ層の一部で構成されるセパレータアセンブリの外部表面(第3の表面)と接触する。透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しておらず、また、供給溶液と直接接触しない。このような状況の下では、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しない、と言われる。供給溶液は、供給キャリヤ層に沿って流通する際に、供給溶液の1以上の成分を含んだ流体を改質し、且つ、透過液キャリヤ層へ透過させる塩阻止膜層と接触する。塩阻止膜層を透過した、透過液(又は「透過液(the permeate)」)と呼ばれるこの流体は、透過液キャリヤ層のうちの透過液排出コンジットの外部と接触する部分に到達するまで透過液キャリヤ層に沿って流通し、そこで透過液は、透過液キャリヤ層から透過液排出コンジットの内部へ透過する。供給溶液が改質され、塩阻止膜層によって透過液キャリヤ層の中へ透過すると、膜層の塩阻止作用によって透過液中の塩の濃度が供給溶液に対して低くなることは当業者には理解されよう。
一実施形態では、セパレータアセンブリは、複数の濃縮液排出コンジットを備える。一実施形態では、濃縮液排出コンジットの数は、1コンジット乃至8コンジットの範囲内である。他の実施形態では、濃縮液排出コンジットの数は、2コンジット乃至6コンジットの範囲内である。さらに他の実施形態では、濃縮液排出コンジットの数は、3コンジット乃至4コンジットの範囲内である。
一実施形態では、セパレータアセンブリは、複数の透過液排出コンジットを備える。一実施形態では、透過液排出コンジットの数は、1コンジット乃至8コンジットの範囲内である。他の実施形態では、透過液排出コンジットの数は、2コンジット乃至6コンジットの範囲内である。さらに他の実施形態では、透過液排出コンジットの数は、3コンジット乃至4コンジットの範囲内である。
一実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、単一の供給キャリヤ層を備える。一代替実施形態では、セパレータアセンブリは、複数の供給キャリヤ層を備える。一実施形態では、供給キャリヤ層の数は、1層乃至6層の範囲内である。他の実施形態では、供給キャリヤ層の数は、2層乃至5層の範囲内である。さらに他の実施形態では、供給キャリヤ層の数は、3層乃至4層の範囲内である。
一実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、単一の透過液キャリヤ層を備える。一代替実施形態では、セパレータアセンブリは、複数の透過液キャリヤ層を備える。一実施形態では、透過液キャリヤ層の数は、1層乃至6層の範囲内である。他の実施形態では、透過液キャリヤ層の数は、2層乃至5層の範囲内である。さらに他の実施形態では、透過液キャリヤ層の数は、3層乃至4層の範囲内である。
一実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、単一の膜層を備える。一代替実施形態では、セパレータアセンブリは、複数の膜層を備える。一実施形態では、膜層の数は、1層乃至6層の範囲内である。他の実施形態では、膜層の数は、2層乃至5層の範囲内である。さらに他の実施形態では、膜層の数は、3層乃至4層の範囲内である。一実施形態では、膜層の数は、セパレータアセンブリが提供するのに必要な能動表面積に正比例している。
図1を参照すると、従来のセパレータアセンブリのコンポーネント及び従来のセパレータアセンブリを製造する方法が示されている。従来のセパレータアセンブリでは、膜スタックアセンブリ120は折畳み膜層112を備えており、供給キャリヤ層116は、2つの1/2半折畳み膜層112の間にはさまれている。折畳み膜層112は、折畳み膜層の能動面(図には示されていない)が供給キャリヤ層116と接触するように配置されている。折畳み膜層112は、膜層112の受動表面(図には示されていない)が透過液キャリヤ層110と接触するように透過液キャリヤ層110によって覆い包まれている。通常、接着シーラント(図示せず)を使用して供給キャリヤ層が透過液キャリヤ層から隔離され、且つ、供給溶液(図示せず)と透過液キャリヤ層の間の直接接触が防止される。透過液層110の各々が透過液排出コンジット118と接触する共通透過液キャリヤ層111に接続されている複数の膜スタックアセンブリ120は、例えば透過液排出コンジット118を方向122に回転させることによって透過液排出コンジット118の周囲に巻き付けられ、結果として得られる巻かれた構造が適切に封止され、それにより従来のセパレータアセンブリが提供される。透過液排出コンジットは、共通透過液キャリヤ層111との流体連絡を可能にする開口113を備える。膜スタックアセンブリが透過液排出コンジット118の周囲に巻き付けられると、折畳み膜層112によって画成される優角が360度に近づく。
図2を参照すると、図2aに、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメントの中に配置された膜スタックアセンブリ120の第1の部分231の中央部分200の横断面図が示されている。膜スタックアセンブリ120の第2の部分232は、本発明の一実施形態による中央コアエレメントの外側に配置されている。膜スタックアセンブリの第1の部分は、透過液排出コンジット118を濃縮液排出コンジット218から分離する。膜スタックアセンブリ120は、透過液キャリヤ層110、膜層112及び供給キャリヤ層116を備える。中央コアエレメントを方向222に回転させることにより、図2bに示されている、本発明の一実施形態による部分的に巻かれた構造240が得られる。膜スタックアセンブリ120のその部分(第2の部分232)は、中央コアエレメントの周囲に巻き付けられており、完成したセパレータアセンブリの多層膜アセンブリになっている。図2cは、透過液キャリヤ層110及び膜層112が中央コアエレメントの周囲に完全に巻き付けられた後に得られる巻かれた構造250を示したもので、図3に示されているセパレータアセンブリ300を製造するだけの十分な供給キャリヤ層116が残されている。セパレータアセンブリ300(図3)は、膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に完全に巻き付け、且つ、膜スタックアセンブリの末端を固定することによって得られる。さらに、供給溶液とセパレータアセンブリのエッジオン接触を防止するために、巻かれた構造の末端が封止される。
図3を参照すると、本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリ300の中央部分の横断面図が示されている。セパレータアセンブリ300は、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメントを備えており、各排出コンジットは内部チャネル119を画成する。セパレータアセンブリ300は、供給キャリヤ層116、透過液キャリヤ層110及び膜層112を備えた膜スタックアセンブリ120(図2)を備えており、膜層112は、供給キャリヤ層116と透過液キャリヤ層110の間に配置されている。中央コアエレメントの透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218は、膜スタックアセンブリ120の第1の部分231(図2a)によって分離されている。膜スタックアセンブリの第2の部分232(図2a)は、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成する。図3には、供給キャリヤ層116が透過液排出コンジット118又は透過液キャリヤ層110のいずれとも接触しないこと、また、透過液キャリヤ層110が濃縮液排出コンジット218又は供給キャリヤ層116のいずれとも接触しないことが明確に示されている。膜スタックアセンブリ120の末端は、封止部分316に固定されている。封止部分316は、最も外側の透過液キャリヤ層を2つの隣接する膜層112に対して封止するシーラント(一般的には硬化性接着剤)の横断線であり、前記横断線は、セパレータアセンブリ300の長さにわたって通っている。通常、シーラントは、隣接する透過液キャリヤ層と接触すると、シーラントが透過液キャリヤ層の縁にしみ込み、透過液キャリヤ層の縁を封止する膜層112の受動表面に加えられる。シーラントは、通常、膜層の能動表面を介してしみ込むことはなく、したがって膜層112又は供給キャリヤ層116のいずれの能動表面(図示せず)とも接触することはない。図3に示されているセパレータアセンブリ300の「第3の表面」は、下方に位置している巻かれた構造を覆い包んでいる供給キャリヤ層116に排他的に含まれる。また、図3に示されているセパレータアセンブリ300には、透過液キャリヤ層110及び供給キャリヤ層116の最も内側の末端をそれぞれ透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218に固定する接着線325が示されている。接着剤及び/又は両面テープなどの様々な接着シーラントを使用して、多層膜アセンブリの末端を互いに固定し(封止部分316)、透過液キャリヤ層及び供給キャリヤ層を透過液排出コンジット及び濃縮液排出コンジットに固定し(横断シーラント線325)、また、供給キャリヤ層の末端をセパレータアセンブリの外部表面で供給キャリヤ層自体に固定することができる(封止部分317)。(膜層の受動表面に加えられた縁シーラント526が透過液キャリヤ層−膜層界面でセパレータアセンブリを封止している図5cを同じく参照されたい)。セパレータアセンブリ内に存在する隙間は、すべて、隙間に隙間シーラントを充填することによって除去することができる。隙間シーラントには、硬化性シーラント、接着シーラントなどがある。
図4を参照すると、図4aには、本発明の一実施形態による螺旋流逆浸透装置400の側面図が示されている。螺旋流逆浸透装置400は、カップリング部材436によって加圧可能ハウジング405の中に固定されたセパレータアセンブリ300を備える。加圧可能ハウジング405は、セパレータアセンブリ300の外部表面427に供給溶液を提供するように構成された供給入口410を備える。加圧可能ハウジング405は、さらに、セパレータアセンブリ300の透過液排出コンジット118(図示せず)に結合された透過液排出出口438、及びセパレータアセンブリ300の濃縮液排出コンジット218(図示せず)に結合された濃縮液排出出口428を備える。中央コアエレメント440の末端は、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218をそれぞれ透過液排出出口438及び濃縮液排出出口428に接続するためにカップリング部材436の中に挿入されている。方向矢印422は、供給溶液(図示せず)がセパレータアセンブリの外部表面427と接触する方向を示している。方向矢印429及び439は、濃縮液及び透過液がそれぞれ濃縮液排出出口428及び透過液排出出口438を通って流れる方向を示している。図4aには、さらに、外部表面427以外の表面を介したセパレータアセンブリ内への供給溶液の導入を防止する封止された第1の表面420及び封止された第2の表面425が示されている。図4bは、図4aに示されているセパレータアセンブリ300にある中央コアエレメント440を示す。中央コアエレメントは、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218を備えており、これらのコンジットの各々は、それぞれ末端445及び444で遮断されている。透過液排出コンジット118から流出した透過液は449の方向に流れ、一方、濃縮液排出コンジット218から流出した濃縮液は448の方向に流れる。図4bに示されている透過液排出コンジット及び濃縮液排出コンジット内では、流れは、一方向の流れ、と言われる。図4bに示されている実施形態では、中央コアエレメントは、スペーサエレメント446の存在によって修正された半円筒118及び218の分離可能な対である。図4bに示されている実施形態では、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218の各々は同一である。透過液排出コンジット118は、スペーサエレメント446、及びチャネル119(図示せず)と連絡している開口113(図示せず)を備える。透過液排出コンジット118は、末端445で遮断されている。濃縮液排出コンジット218は、スペーサエレメント446、及びチャネル119と連絡している開口113を備える。濃縮液排出コンジット218は、末端444で遮断されている。スペーサエレメント446は、膜スタックアセンブリ120(図2a参照)の第1の部分を収容する空洞450を画成する。
図5を参照すると、図3に示されているセパレータアセンブリ300を製造するために、本発明の実施形態による方法500が示されている。第1の方法段階501では、濃縮液排出コンジット218を提供し、且つ、濃縮液排出コンジットの長さにわたって通っている線325に沿って接着剤(図示せず)のビーズを加えることによって第1の中間アセンブリが形成され、次に、硬化していない接着剤と接触する供給キャリヤ層116を線325に沿って配置し、且つ、硬化させることにより、図に示されている第1の中間アセンブリが提供される。
濃縮液排出コンジットのうちの「濃縮液排出コンジットの長さ」と呼ばれる部分は、供給キャリヤ層の幅に対応しており、また、濃縮液排出コンジットのうちの供給キャリヤ層と接触するように適合された部分に対応する。この例及び本開示の他の部分から明らかなように、濃縮液排出コンジットの長さは、通常、濃縮液排出コンジットのうちの供給キャリヤ層と接触するように適合された部分の長さより長い。また、通常、濃縮液排出コンジットは、本発明によって提供されるセパレータアセンブリ内の、該濃縮液排出コンジットの周囲に配置された多層膜アセンブリより長い。濃縮液排出コンジットのうちの供給キャリヤ層と接触するように適合された部分は多孔性であり、例えば図4bにエレメント113で示されているような開口を備える。本発明の典型的な実施形態では、濃縮液排出コンジットのうちの供給キャリヤ層と接触しないように適合された部分は多孔性ではない。
第2の方法段階502で、透過液排出コンジット118を提供し、且つ、透過液排出コンジットの長さにわたって通っている線325に沿って接着剤(図示せず)のビーズを加えることによって第2の中間アセンブリが形成され、次に、硬化していない接着剤と接触する透過液キャリヤ層110を線325に沿って配置し、且つ、硬化させることにより、図に示されている第2の中間アセンブリが提供される。
透過液排出コンジットのうちの「透過液排出コンジットの長さ」と呼ばれる部分は、透過液キャリヤ層の幅に対応しており、また、透過液排出コンジットのうちの透過液キャリヤ層と接触するように適合された部分に対応する。この例及び本開示の他の部分から明らかなように、透過液排出コンジットの長さは、通常、透過液排出コンジットのうちの透過液キャリヤ層と接触するように適合された部分の長さより長い。また、通常、透過液排出コンジットは、本発明によって提供されるセパレータアセンブリ内のその周囲に配置された多層膜アセンブリより長い。透過液排出コンジットのうちの透過液キャリヤ層と接触するように適合された部分は多孔性であり、例えば図4bにエレメント113で示されているような開口を備える。本発明の典型的な実施形態では、透過液排出コンジットのうちの透過液キャリヤ層と接触しないように適合された部分は多孔性ではない。
第3の方法段階503で第3の中間アセンブリが製造される。能動表面(図示せず)及び受動表面(図示せず)を有する膜層112が、膜層112の能動表面(図示せず)が供給キャリヤ層116と接触するように、方法段階501の第1の中間アセンブリと接触して配置される。膜層112は、濃縮液排出コンジット218によって二分され、且つ、濃縮液排出コンジット218と接触しないように配置される。
第4の方法段階504で第4の中間アセンブリが形成される。方法段階502で示されている第2の中間アセンブリが方法段階503で示されている第3の中間アセンブリに結合される。方法段階504で示されている第4の中間アセンブリは、供給キャリヤ層116と透過液キャリヤ層110の間に配置された膜層112を備えた膜スタックアセンブリ120を特徴としている。方法段階504で示されている第4の中間アセンブリは、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメントの中に配置された膜スタックアセンブリ120の第1の部分、及び中央コアエレメントの外側に配置された膜スタックアセンブリ120の第2の部分を示している。
第5の方法段階505(図5b)で、第5の中間アセンブリを得るために、膜層112の受動表面の各縁に沿った縦方向の線として縁シーラント526が加えられる。縁シーラントは、透過液キャリヤ層の縁の長さ全体に沿って、隣接する透過液キャリヤ層に浸透する。方法段階505(図5b)で示されている第5の中間アセンブリは、中間段階における断面図ではなく、セパレータアセンブリの初期の第1又は第2の表面から見た図を示していることは当業者には理解されよう。
第6の方法段階506で、縁シーラント526が硬化する前に、第5の中間アセンブリの自由部分(膜スタックアセンブリの「第2の部分」とも呼ばれる)が中央コアエレメントの周囲に巻き付けられる。中央コアエレメントの周囲への膜スタックアセンブリの第2の部分の巻付けは、巻付けプロセスの間、膜スタックアセンブリの層の表面に若干の自由運動を許容するために、縁シーラントが非硬化状態にある間に実施される。一実施形態では、縁シーラント526は、巻付け段階の一環として加えられる。方法段階506で示されている構造(第6の中間アセンブリ)は、方法段階505で示されている構造であって、中央コアエレメントを約180度回転させた後の構造を示している。セパレータアセンブリ300の製造は、中央コアエレメントを方向222に回転させ、それにより中央コアエレメントの周囲に膜スタックアセンブリの第2の部分を巻き付けて巻かれた構造を形成し、次に、膜スタックアセンブリの末端を固定することによって完了することができる。供給キャリヤ層の長さは、下方に位置している巻かれた構造を覆い包むだけの十分な長さであり、また、セパレータアセンブリの全外部表面(第3の表面)を備える。セパレータアセンブリの第1及び第2の表面は、供給溶液と供給キャリヤ層のエッジオン接触を防止するために封止される。巻かれた構造にある膜スタックアセンブリの末端は、硬化性接着剤、硬化性接着剤、両面テープなどの様々な手段によって固定することができる。膜スタックアセンブリの巻かれた第2の部分は、この実施形態では多層膜アセンブリと呼ばれる。この多層膜アセンブリは、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメントの周囲に配置される、と言われる。縁シーラント526が硬化すると、セパレータアセンブリの第1及び第2の表面の両方で透過液キャリヤ層110及び膜層112の縁が完全に封止され、供給キャリヤ層116を除く供給表面からの流体の透過が阻止される。
図5cを参照すると、構造507は、本発明のセパレータアセンブリを製造中の構造であって、中央コアエレメント440の中に配置された膜スタックアセンブリ120の斜視図を示す。構造507は、方法段階505で示されている第5の中間アセンブリに対応する。図に示されている硬化性縁シーラント526は、膜層112の受動表面の各縦方向及び各横方向の縁(合計6つのこのような縁がある)に沿って配置され、透過液キャリヤ層110と接触する。中央コアエレメント440は、巻かれた構造を提供するために222の方向に回転する。
図6を参照すると、本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリ300の中央部分の横断面図が示されている。セパレータアセンブリ300は、2つの透過液キャリヤ層110と、2つの膜層112と、2つの透過液排出コンジット118及び1つの濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置された2つの供給キャリヤ層116とを備える。透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218は互いに接触しない。セパレータアセンブリ300の外部表面は、下方に位置している巻かれた構造を完全に覆い包んでいる供給キャリヤ層116で構成される。供給キャリヤ層116の末端は、追加封止部分(図示せず)によって固定されている。セパレータアセンブリ300は、2つの透過液排出コンジット118及び1つの濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメント440の中に622(図6)で示されているように配置された2つの膜スタックアセンブリ120を提供することによって製造することができる。次に、中央コアエレメント440の周囲に半径方向に配置された多層膜アセンブリを提供するために、2つの膜スタックアセンブリ120が中央コアエレメントの周囲に222の方向に巻かれる。セパレータアセンブリ300の製造は、封止部分316を加え、且つ、供給キャリヤ層116の末端を例えば接着によって固定することによって完了する。封止部分316によって供給溶液と透過液キャリヤ層の直接接触が防止される。図6に示されているセパレータアセンブリ300の第1及び第2の表面(図示せず)は、例えば濃縮液排出コンジット218及び透過液排出コンジット118の末端にマスクを施し、且つ、巻かれたアセンブリの末端をエポキシシーラントに軽く浸し、引き続いて硬化させることによって封止することができる。透過液排出コンジット及び濃縮液排出コンジットの末端からマスクが除去され、完成したセパレータアセンブリ300が提供される。
図7を参照すると、図7dに、本発明の様々な実施形態に使用することができる中央コアエレメント440が示されている。中央コアエレメント440は、2つの透過液排出コンジット118及び1つの濃縮液排出コンジット218を備える。図7に示されている例では、中央コアエレメント440を使用して、図6の中央部分の横断面図に示されているセパレータアセンブリ300を製造することができる。中央コアエレメント440にある透過液排出コンジット118の各々は、図7aには、透過液排出チャネル119(図7aでは見ることはできないが、図7bに示されている)、透過液排出チャネル119と連絡している開口113(図示せず)、スペーサエレメント446、及びOリングを固定するように適合された溝716を備えた修正半円筒として示されている。チャネル119は、この例では一方の末端が開放され、且つ、末端445で閉じている透過液排出コンジット118の長さにわたって通っている。2つの透過液排出コンジット118が結合されて部分構造710(図7b)が形成され、開口113を見て取ることができる。開口113は、透過液キャリヤ層から透過液排出チャネル119内への透過液の流れを可能にする。部分構造710は、さらに、濃縮液排出コンジット218及び2つの膜スタックアセンブリ120の両方(図6に示されているように構成されている(構造622))を収容する空洞450を画成する。濃縮液排出コンジット218(図7c)は、末端444が閉じている濃縮液排出チャネル119を備える。指摘したように、濃縮液排出コンジット218は末端444が閉じており、濃縮液排出コンジットの排出チャネル119を通る流れは、734の方向に制限される(図7c及び7d参照)。セパレータアセンブリ300の横断面図(図6)を参照すると、この図には、透過液排出コンジット118は濃縮液排出コンジット218と接触しないこと、また、供給キャリヤ層116は透過液キャリヤ層110又は透過液排出コンジット118と接触しないこと、及び供給キャリヤ層は、セパレータアセンブリ300の外部表面を形成することが示されている。
図8を参照すると、本発明の一実施形態によるセパレータアセンブリ300が示されている。中央部分の横断面図で示されているセパレータアセンブリ300は、2つの透過液キャリヤ層110と、2つの膜層112と、2つの透過液排出コンジット118及び2つの濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメント440の周囲に半径方向に配置された単一の供給キャリヤ層116とを備える。封止部分316は、供給溶液と透過液キャリヤ層110の直接接触を防止しており、また、封止部分317は、供給キャリヤ層116の外部端を固定している。透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218は互いに接触しない。セパレータアセンブリ300は、単一の供給キャリヤ層116、2つの透過液キャリヤ層110及び2つの膜層112を、2つの透過液排出コンジット118及び2つの濃縮液排出コンジット218を備えた中央コアエレメント440の中に配置することにより、830(図8)で示されているように製造することができる。図8(830)に示されているように、2つの透過液キャリヤ層110の各々は、2つの透過液排出コンジット118のうちの一方と接触するように構成されており、また、さらに、透過液キャリヤ層のうちの中央コアエレメントの中に配置されている部分の長さは、中央コアエレメント440の直径の約半分である。膜層112は、830で示されているように中央コアエレメント440の中に配置されている。膜層112の約90度の湾曲は、約270度の優角に対応する。供給キャリヤ層116は、中央コアエレメント440を二分しており、そのようにするための、透過液キャリヤ層、膜層及び透過液キャリヤ層のうちの唯一の層である。これらの層は、中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置された多層膜アセンブリを提供するために、中央コアエレメント440の周囲に222の方向に巻き付けられている。セパレータアセンブリ300の製造は、封止部分316を加え、且つ、例えば供給キャリヤ層の末端を供給キャリヤ層自体に接着することにより、封止部分317を使用して供給キャリヤ層116の末端を固定することによって完了する。供給溶液とセパレータアセンブリの第1又は第2の表面のエッジオン接触を防止するために、巻かれたアセンブリの末端が封止される。
図9を参照すると、本発明の一実施形態による、螺旋流逆浸透装置、例えば図4aに示されている螺旋流逆浸透装置400を製造するために使用される加圧可能ハウジング405が示されている。図9を参照すると、加圧可能ハウジング405は、取外し可能な第1の部分901及び取外し可能な第2の部分902を備える。第1及び第2の部分901及び902は、901を902に固定するためのねじ山903及びねじ山903と相補的なねじ山904によって結合することができる。加圧可能ハウジングの取外し可能な第1の部分を加圧可能ハウジングの取外し可能な第2の部分に固定するための他の手段には、スナップ合体エレメントの使用、接着、テーピング、クランピングなどの手段がある。カップリング部材436は、セパレータアセンブリ300を加圧可能ハウジング405の中に固定し、且つ、中央コアエレメント440の末端が挿入される空洞936を画成する。
図10を参照すると、図10aは、本発明の一実施形態に従って使用される中央コアエレメント440の三次元図を示す。中央コアエレメント440は、濃縮液排出コンジット218及び透過液排出コンジット118を備えており、これらのコンジットの各々は、それぞれ末端444及び445で遮断されている。したがって、中央コアエレメント440を備えたセパレータアセンブリが動作している間、濃縮液排出コンジット218を通る流れは、方向448の一方向の流れであり、また、透過液排出コンジット118を通る流れは、方向449の一方向の流れである。透過液及び濃縮液排出コンジットの各々は、チャネル119及び開口113を画成する。中央コアエレメント440は、一方の末端に、Oリングを固定するように適合された溝716を備える。コンポーネント透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218は、それぞれ、膜スタックアセンブリの第1の部分を収容することができる空洞450を画成するスペーサエレメント446及び447を備える。
さらに図10を参照すると、図10bは、本発明の中央コアエレメント440の三次元立体図を示す。図10aの場合と同様、透過液排出コンジットは末端445で遮断されており、また、濃縮液排出コンジットは末端444で遮断されている。
さらに図10を参照すると、図10cは、図10bに示されている本発明の中央コアエレメント440の一部の拡大三次元立体図を示す。
図11を参照すると、本発明による中央コアエレメント440の一代替実施形態が示されている。図11に示されている中央コアエレメント440は、透過液排出コンジット118及び濃縮液排出コンジット218を備えており、これらの各々はその両方の末端が開いている。各排出コンジットは、チャネル119、チャネルと連絡している開口113、空洞450を画成するスペーサエレメント446及び447、及びOリングを固定するように適合された溝716を画成する。中央コアエレメント440を備えたセパレータアセンブリが動作している間、排出コンジットを通る流れは二方向の流れである。流れ方向矢印448及び449は、図11に示されている中央コアエレメント440を備えたセパレータアセンブリが動作している間、それぞれ濃縮液及び透過液が流れる方向を示している。
一実施形態では、本発明により、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層、及び供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に配置された1以上の塩阻止膜層を備えた膜スタックアセンブリを備えた塩セパレータアセンブリが提供される。塩セパレータアセンブリは、さらに、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントを備えており、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットは、膜スタックアセンブリの第1の部分によって分離されている。膜スタックアセンブリの第2の部分は、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成する。供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、透過液排出コンジットとは接触しない。透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、濃縮液排出コンジットとは接触しない。透過液キャリヤ層は、塩セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。
一実施形態では、塩セパレータアセンブリは、中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置された多層膜アセンブリを備える。他の実施形態では、塩阻止膜層は、官能基化表面及び非官能基化表面を備える。一実施形態では、塩セパレータアセンブリは複数の濃縮液排出コンジットを備える。他の実施形態では、塩セパレータアセンブリは複数の透過液排出コンジットを備える。さらに他の実施形態では、塩セパレータアセンブリは複数の供給キャリヤ層を備えており、また、一代替実施形態では、塩セパレータアセンブリは複数の透過液キャリヤ層を備える。塩セパレータアセンブリは複数の塩阻止膜層を備えることができる。
さらに他の実施形態では、本発明により、(a)加圧可能ハウジング及び(b)セパレータアセンブリを備えた螺旋流逆浸透膜装置が提供される。セパレータアセンブリは、1以上の供給キャリヤ層、1以上の透過液キャリヤ層、及び供給キャリヤ層と透過液キャリヤ層の間に配置された1以上の膜層を備えた膜スタックアセンブリを備える。また、セパレータアセンブリは、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントを備える。膜スタックアセンブリの第1の部分は、透過液排出コンジット及び濃縮液排出コンジットを分離するように構成されている。膜スタックアセンブリの第2の部分は、中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成する。供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、透過液排出コンジットとは接触しない。透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、濃縮液排出コンジットとは接触しない。さらに、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。加圧可能ハウジングは、セパレータアセンブリの外部表面に供給溶液を提供するように構成された1以上の供給入口を備える。加圧可能ハウジングは、透過液排出コンジットに結合された1以上の透過液排出出口、及び濃縮液排出コンジットに結合された1以上の濃縮液排出出口を備える。加圧可能ハウジングは、当業者に知られている適切な1以上の材料を使用して製造することができる。例えば、加圧可能ハウジングは、重合有機材料、ステンレス鋼、アルミニウム、ガラス又はそれらの組合せを使用して製造することができる。供給入口は、加圧可能ハウジングに接続されており、セパレータアセンブリへの供給の入力を可能にする。一実施形態では、加圧可能ハウジングは熱可塑性ABSで構成される。一代替実施形態では、加圧可能ハウジングはポリカーボネートで構成される。
一実施形態では、本発明により、(a)加圧可能ハウジング及び(b)本発明によって提供されるセパレータアセンブリを備えた螺旋流逆浸透膜装置が提供され、多層膜アセンブリは、中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置されている。一代替実施形態では、本発明により、(a)加圧可能ハウジング及び(b)本発明によって提供される複数のセパレータアセンブリを備えた螺旋流逆浸透膜装置が提供される。
さらに他の実施形態では、セパレータアセンブリを製造するための方法が提供され、この方法は、1以上の濃縮液排出コンジット及び1以上の透過液排出コンジットを備えた中央コアエレメントを用意し、1以上の透過液キャリヤ層、1以上の供給キャリヤ層及び1以上の膜層を備えた膜スタックアセンブリの第1の部分を、濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットが膜スタックアセンブリの第1の部分によって分離されるように中央コアエレメントの中に配置し、且つ、膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置し、また、セパレータアセンブリを提供するために、結果として得られる巻かれたアセンブリを封止することを含んでなり、濃縮液排出コンジットと透過液排出コンジットは非接触であり、供給キャリヤ層は濃縮液排出コンジットと接触しており、また、透過液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は透過液排出コンジットと接触しており、また、濃縮液排出コンジットとは非接触であり、透過液キャリヤ層は、セパレータアセンブリの外部表面を形成しない。
この例では、「膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置し、また、セパレータアセンブリを提供するために、結果として得られる巻かれたアセンブリを封止する」という表現は、膜スタックアセンブリの第2の部分を中央コアエレメントの周囲に巻き付ける行為、膜スタックアセンブリの末端に封止部分、例えば図3の封止部分316及び317を加える行為、及び巻かれた構造(例えば円筒状セパレータアセンブリの第1及び第2の表面)の末端を封止する行為、例えば巻かれた構造の末端をエポキシシーラントに軽く浸し、引き続いて硬化させることによって封止する行為を意味している。
様々な実施形態では、セパレータアセンブリは、本明細書において開示され、且つ、図2〜11に示されている手順及び概念を使用して製造することができる。本明細書において開示されている方法によれば、膜層の折畳みが回避され、その一方で、セパレータアセンブリの多層膜アセンブリの中に配置された濃縮液排出コンジット及び透過液排出コンジットへ向かう供給溶液及び透過液の螺旋流を提供するセパレータアセンブリが得られる。従来のセパレータアセンブリと比較して、封止部分に対する依存が小さいことなどの他の利点は、本明細書において開示されている本発明の様々な実施形態の価値を高くしている。本発明によれば、多層膜アセンブリの軸(アセンブリを通る交差流の方向)に沿った供給溶液の流れを生じさせることなく動作させることができる新規なセパレータアセンブリが提供されることは当業者には理解されよう。本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、セパレータアセンブリの外部表面全体に供給溶液を導入し、それによりセパレータアセンブリがその軸に沿って折り重なる傾向を最小化することによって動作させることができる。
本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、供給溶液から1以上の溶質を分離するのにとりわけ有用である。一実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、海水から塩を分離するために使用される。一代替実施形態では、本発明によって提供されるセパレータアセンブリは、汽水性の水から塩と有機汚染物質の混合物を分離するために使用される。透過液及び濃縮液に有利に分離することができる様々な供給溶液には、海水、汽水性の水、原乳、食品処理液、冷却塔浸出液、都市水処理工場浸出液、及び川の水、貯水池の水などの都市水源がある。
以上の例は、単に例示的なものにすぎず、本発明の特徴の一部を例示するものにすぎない。特許請求の範囲には、想定されているだけの広く本発明を特許請求することが意図されており、本明細書において示されている例は、すべての可能な実施形態から選択された実施形態を例示したものである。したがって、本出願人が意図していることは、特許請求の範囲を、本発明の特徴を例示するために使用される選ばれた例によって制限されるべきではないことである。また、特許請求の範囲に使用される「備える」という語及びその文法上の変形には、理論的に、例えばそれらに限定されないが、「本質的にからなる」及び「からなる」などの変化し、且つ、異なる範囲の表現の境界が示され、且つ、含まれる。必要に応じて範囲が示されており、これらの範囲には、それらの間にあらゆる副範囲が含まれる。これらの範囲内の変形形態は、当業者には思い付くこと、また未だ公開されていない場合、これらの変形形態を、可能な場合、特許請求の範囲内にあると解釈すべきであることが期待されている。また、言語の不正確性のために現時点では企図されていない均等物及び置換も、科学及び技術の進歩によって可能になることが期待され、したがって、可能である場合、これらの変化も特許請求の範囲内にあると解釈すべきである。
110 透過液キャリヤ層
111 共通透過液キャリヤ層
112 膜層
113 開口(エレメント)
116 供給キャリヤ層
118 透過液排出コンジット、半円筒
119 チャネル(濃縮液排出チャネル、透過液排出チャネル、排出チャネル、内部チャネル)
120 膜スタックアセンブリ
122 方向
200 膜スタックアセンブリの第1の部分の中央部分
218 濃縮液排出コンジット、半円筒
222 方向
231 膜スタックアセンブリの第1の部分
232 膜スタックアセンブリの第2の部分
240 部分的に巻かれた構造
250 巻かれた構造
300 セパレータアセンブリ
316、317 封止部分
325 横断シーラント線、接着線
400 螺旋流逆浸透装置
405 加圧可能ハウジング
410 供給入口
420 密閉された第1の表面
422 方向矢印
425 密閉された第2の表面
427 外部表面
428 濃縮液排出出口
429 方向矢印
436 カップリング部材
438 透過液排出出口
439 方向矢印
440 中央コアエレメント
444、445 末端
446、447 スペーサエレメント
448、449 流れ方向矢印、矢印方向
450 空洞
507 構造
526 縁シーラント
622 構造
710 部分構造
716 溝
734 方向
901 取外し可能な第1の部分
902 取外し可能な第2の部分
903、904 ねじ山
936 空洞

Claims (15)

  1. セパレータアセンブリ(300)であって、
    1以上の供給キャリヤ層(116)、1以上の透過液キャリヤ層(110)及び1以上の膜層(112)を備え、前記供給キャリヤ層と前記透過液キャリヤ層の間に前記膜層が配置された膜スタックアセンブリ(120)と、
    1以上の濃縮液排出コンジット(218)及び1以上の透過液排出コンジット(118)を備えた中央コアエレメント(440)
    を備え、
    前記濃縮液排出コンジット及び前記透過液排出コンジットが1以上のスペーサエレメント(446,447)と共に形成されていて前記濃縮液排出コンジットと前記透過液排出コンジットとを分離する空洞(450)を画成しており、前記空洞(450)内に前記膜スタックアセンブリの第1の部分(231)が配置されており
    前記膜スタックアセンブリの第2の部分(232)が、前記中央コアエレメントの周囲に配置された多層膜アセンブリを形成し、
    前記供給キャリヤ層が前記濃縮液排出コンジットと接触しており、また、前記透過液排出コンジットとは非接触であり、
    前記透過液キャリヤ層が前記透過液排出コンジットと接触しており、また、前記濃縮液排出コンジットとは非接触であり、
    前記透過液キャリヤ層がセパレータアセンブリの外部表面を形成しない
    セパレータアセンブリ(300)
  2. 前記多層膜アセンブリが前記中央コアエレメント(440)の周囲に半径方向に配置される、請求項1記載のセパレータアセンブリ(300)
  3. 塩セパレータアセンブリ(300)である、請求項1又は請求項2記載のセパレータアセンブリ(300)セパレータアセンブリ(300)
  4. 前記膜層(112)が官能基化表面及び非官能基化表面を備える、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のセパレータアセンブリ(300)
  5. 複数の濃縮液排出コンジット(218)を備える、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のセパレータアセンブリ(300)
  6. 複数の透過液排出コンジット(118)を備える、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のセパレータアセンブリ(300)
  7. 複数の供給キャリヤ層(116)を備える、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のセパレータアセンブリ(300)
  8. 複数の透過液キャリヤ層(110)を備える、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のセパレータアセンブリ(300)
  9. 複数の膜層(112)を備える、請求項1乃至請求項8のいずれか1項記載のセパレータアセンブリ(300)
  10. セパレータアセンブリの製造方法であって、
    1以上の濃縮液排出コンジット(218)及び1以上の透過液排出コンジット(118)を備えた中央コアエレメント(440)であって、前記濃縮液排出コンジット及び前記透過液排出コンジットが1以上のスペーサエレメント(446,447)と共に形成されていて前記濃縮液排出コンジットと前記透過液排出コンジットとを分離する空洞(450)を画成している、中央コアエレメント(440)を用意し、
    1以上の透過液キャリヤ層(110)、1以上の供給キャリヤ層(116)及び1以上の膜層(112)を備えた膜スタックアセンブリ(120)の第1の部分(231)を、前記空洞(450)内に配置し、
    前記膜スタックアセンブリの第2の部分(232)を前記中央コアエレメントの周囲に半径方向に配置し、且つ、られ巻かれたアセンブリを封止してセパレータアセンブリを得る
    ことを含んでなり、
    前記濃縮液排出コンジットと前記透過液排出コンジットが非接触であり、
    前記供給キャリヤ層が前記濃縮液排出コンジットと接触しており、また、前記透過液排出コンジットとは非接触であり、
    前記透過液キャリヤ層が前記透過液排出コンジットと接触しており、また、前記濃縮液排出コンジットとは非接触であり、
    前記透過液キャリヤ層が前記セパレータアセンブリの外部表面を形成しない
    方法。
  11. 前記中央コアエレメント(440)が複数の濃縮液排出コンジット(218)を備える、請求項10記載の方法。
  12. 前記中央コアエレメント(440)が複数の透過液排出コンジット(118)を備える、請求項10又は請求項11記載の方法。
  13. 前記多層膜アセンブリが複数の供給キャリヤ層(116)を備える、請求項10乃至請求項12のいずれか1項記載の方法。
  14. 前記多層膜アセンブリが複数の透過液キャリヤ層(110)を備える、請求項10乃至請求項13のいずれか1項記載の方法。
  15. 前記多層膜アセンブリが複数の膜層(112)を備える、請求項10乃至請求項14のいずれか1項記載の方法。

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