JP5961469B2 - スパイラル型正浸透膜エレメントおよび正浸透膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、スパイラル型正浸透膜エレメントおよびこのスパイラル型正浸透膜エレメントが装填されたスパイラル型正浸透膜モジュールに関する。

従来、排水処理、海水淡水化および浸透圧発電などに正浸透現象を利用した技術が知られている。例えば、海水淡水化において、海水淡水化の工程で濃縮された濃縮海水を希釈するために正浸透膜を利用する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、海水淡水化装置で逆浸透膜を利用して海水を淡水化する際に同時に生成された濃縮海水に、これよりも濃度の薄い海水または淡水などの希釈水を、半透膜を介して浸透させ、その正浸透圧エネルギーで濃縮海水側の流量を増加させ、増加した流量で発電を行う技術（例えば、特許文献２参照）も知られている。そして、このような正浸透現象を利用した技術に用いられるスパイラル型正浸透膜エレメントが知られている（例えば、特許文献３参照）。

ところで、スパイラル型正浸透膜エレメントでは、低濃度（低浸透圧）の液体から高濃度（高浸透圧）の液体へ膜を介して液体移動が生じる。そして、膜の近傍で濃度分極層が形成されるのを抑制するために、膜両面で高濃度（高浸透圧）の液体と低濃度（低浸透圧）の液体を流す必要がある。

例えば、特許文献３のスパイラル型正浸透膜エレメントでは、膜の一方の面で液体の流れが生じるように、中心管を出て膜を封筒状に形成した膜リーフ内の屈曲流路を通り中心管に戻るという流れが生じるようになっている。また、膜リーフ内に２つの屈曲流路が中心管の軸方向に沿って並列に設けられている。

特開２００５−２７９５４０号公報 特開２００３−１７６７７５号公報 米国特許第４０３３８７８号明細書

しかしながら、スパイラル型正浸透膜エレメントにおいて、特許文献３に記載のように、中心管に供給された液体を、複数の屈曲流路のすべてを順に通過するように流したのでは、中心管および膜リーフ内の内部流路を流れる液体の流れの圧力損失が非常に大きくなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、中心管に供給された液体の流れの圧力損失が低減された、スパイラル型正浸透膜エレメントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第１開口から第２開口へ延びるＵ字状の内部流路が形成された膜リーフと、前記膜リーフが巻き回された、前記第１開口と連通する供給孔および前記第２開口と連通する回収孔を有する中心管と、を備え、前記中心管の内部は、前記供給孔と連通する流入領域および前記回収孔と連通する流出領域のそれぞれが前記中心管の一端から他端にかけて前記中心管の軸方向に連続的に延びる流路を形成するように区画されているスパイラル型正浸透膜エレメントを提供する。

また、本発明は、圧力容器と、前記圧力容器内に装填された上記のスパイラル型正浸透膜エレメントと、を備えた正浸透膜モジュールを提供する。

上記の構成によれば、中心管の流入領域に供給された液体は、流入領域から供給孔および第１開口を介して膜リーフの内部流路を流れ、さらに内部流路から第２開口および回収孔を介して流出領域を流れて外部に排出される。中心管内に供給された液体は、内部流路を複数回流れずに外部に排出されるので、特許文献３のように中心管内に供給された液体が内部流路を複数回流れる場合に比べて、中心管内部および膜リーフ内部の液体流れの圧力損失を低減することができる。

第１の実施形態に係るスパイラル型正浸透膜エレメントが装填された正浸透膜モジュールの断面図 図２（ａ）は中心管に巻き回される前の積層体の斜視図、図２（ｂ）は中心管の回りに積層体が巻き回されたスパイラル型正浸透膜エレメントの模式的な断面図 第１の実施形態の中心管および膜リーフの内部流路における液体の流れを模式的に示す図 図４（ａ）および図４（ｂ）は第１変形例に係る中心管の断面図 図５（ａ）および図５（ｂ）は第２変形例に係る中心管の断面図 図６（ａ）および図６（ｂ）は第３変形例に係る中心管の断面図 その他の実施形態に係る正浸透膜モジュールの断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態に係るスパイラル型正浸透膜エレメント２を内蔵する正浸透膜モジュール１を示す。この正浸透膜モジュール１はベッセルと呼ばれる筒状の圧力容器９Ａと、圧力容器９Ａ内に装填された複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２とを備えている。圧力容器９Ａの両端には、円盤状のキャップ９Ｂが取り付けられている。

一方（図１では左側）のキャップ９Ｂの中心には中心貫通孔９Ｃが形成され、中心貫通孔９Ｃの圧力容器９Ａ側に、中心供給部材７Ａが取り付けられている。中心供給部材７Ａには流入口７Ｂが形成されている。また、周辺供給部材８Ａが、一方のキャップ９Ｂの中心からずれた位置に取り付けられている。

他方（図１では右側）のキャップ９Ｂの中心にも中心貫通孔９Ｃが形成され、中心貫通孔９Ｃの圧力容器９Ａ側に中心排出部材７Ｃが取り付けられている。中心排出部材７Ｃには流出口７Ｄが形成されている。また、周辺排出部材８Ｂが他方のキャップ９Ｂの中心からずれた位置に取り付けられている。

圧力容器９Ａ内に装填された複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２は、隣り合うスパイラル型正浸透膜エレメント２の後述する供給管３２同士および回収管３３同士がそれぞれ連結器６Ｂ、６Ｅによって連結されている。一端（図１では左側）に位置するスパイラル型正浸透膜エレメント２は、供給連結部材６Ａおよびプラグ６Ｄによって中心供給部材７Ａと連結されている。また、他端（図１では右側）に位置するスパイラル型正浸透膜エレメント２は、排出連結部材６Ｆおよびプラグ６Ｃによって中心排出部材７Ｃと連結されている。

本実施形態の正浸透モジュール１には、第１液体と、第１液体よりも溶質濃度が高く、第１液体よりも浸透圧が高い第２液体がそれぞれ供給される。本実施形態では、第１液体は、流入口７Ｂから中心供給部材７Ａおよび供給連結部材６Ａを介して、スパイラル型正浸透膜エレメント２の内部に供給され、連結された複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２の内部を流れる。その後、第１液体は、排出連結部材６Ｆおよび中心排出部材７Ｃを介して、流出口７Ｄから正浸透膜モジュール１の外部へ排出される。第１液体は、連結された複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２内の第１の内部を通ることで濃縮される。

一方、第２液体は、周辺供給部材８Ａから圧力容器９Ａの内部に供給される。圧力容器９Ａの内部に供給された第２液体は、スパイラル型正浸透膜エレメント２の内部を流れる第１液体の流れと並行に流れるように、連結された複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２の内部を流れる。その後、第２の液体は、スパイラル型正浸透膜エレメント２の内部を出て周辺排出管８Ｂから圧力容器９Ａの外部に排出される。第２液体は、連結された複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２の内部を通ることで希釈される。本実施形態においては、第１液体は濃縮されるべき液体であり、第２液体は希釈されるべき液体ということもできる。

第１液体の流れと第２液体の流れとは、スパイラル型正浸透膜エレメント２の後述する正浸透膜２１の両面を並行して流れる。第２液体の浸透圧は、第１液体の浸透圧よりも高いので、第１液体から第２液体に向かって、浸透現象によって正浸透膜２１を介して液体移動が生じる。これに伴い、周辺供給部材８Ａへ供給された流量よりも周辺排出部材８Ｂから流出する流量が増加する。

正浸透膜２１の両面に第１液体と第２液体を並行に流すのは、正浸透膜２１の近傍で濃度分極層が成長し、第１液体から第２液体への浸透現象による液体移動が著しく低下することを防ぐためである。

例えば、第１液体としては淡水が用いられ、第２液体としては海水が用いられるが、第１液体および第２液体は、これに限定されない。第１液体として通常の海水を用い、第２液体として通常濃度より高い濃度の濃縮された海水を用いてもよい。つまり、第１液体と第２液体との間で浸透圧が異なっていればよい。濃縮されるべき液体である第１液体は、淡水のように溶質成分をほとんど含まず、実質的に濃縮されない液体であってもよい。

本実施形態においては、第２液体は所定圧力だけ加圧されて供給されている。このように、希釈されるべき液体を加圧して行う方法はＰＲＯ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｔａｒｄｅｄ Ｏｓｍｏｓｉｓ）と呼ばれている。第１液体と希釈されるべき第２液体の双方を加圧しないで供給する方法であってもよく、本発明ではこれらの方法を包含して「正浸透」と呼び、これらの用途で用いられる膜を「正浸透膜」という。

次に、図１〜図３を参照してスパイラル型正浸透膜エレメント２の構成について詳細に説明する。なお、図面に付した座標軸のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、いずれの図面においてもスパイラル型正浸透膜エレメント２および正浸透膜モジュール１に関して同一の方向を示すものとする。

各スパイラル型正浸透膜エレメント２は、中心管３１と、中心管３１の周りに巻き回された積層体２０と、積層体２０を取り囲む外装材４０とを有している。また、端部材５が、積層体２０を挟むように配置されて中心管３１の両端に取り付けられている。外装材４０は、両側の端部材５によって保持されている。端部材５は中心管３１に巻き回された積層体２０がテレスコピック状に伸長することを防止する役割を果たす。

端部材５には中心管３１に嵌合する筒状の内周部５１と、内周部５１を離間しながら取り囲む、内周部５１と同心に配置された筒状の外周部５２とを備える。内周部５１と外周部５２とは連結部（不図示）で連結されている。内周部５１の外周面と外周部５２の内周面との間に液体が流通可能な連通路５５が形成されている。本実施形態では、隣り合うスパイラル型正浸透膜エレメント２において、下流側の端部材５と上流側の端部材５が接しており、隣り合う端部材５の連通路５５同士が連なっている。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、中心管３１の内部には、供給管３２および回収管３３が、それらの外周面が互いに接するように、並んで配置されている。また、供給管３２および回収管３３が並ぶ方向において、供給管３２の外周面および回収管３３の外周面が中心管３１の内周面と接するように、供給管３２および回収管３３が中心管３１内部に配置されている。

中心管３１、供給管３２および回収管３３がそれぞれ接する箇所以外において、中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との間には隙間が存在する。この隙間に樹脂が充填されて、中心管３１の内部に供給管３２および回収管３３が保持されている。充填された樹脂は封止部３４を形成する。この隙間に樹脂が充填されることで、流入領域３Ａおよび流出領域３Ｂ中の液体が、貫通孔３２Ａまたは貫通孔３３Ａから中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との間の隙間に漏れることを防止できる。

充填される樹脂としては二液性熱硬化樹脂、一液性熱硬化樹脂および溶融した熱可塑性樹脂などを用いることができる。封止部３４を形成する工程の作業効率を考慮すると、充填される樹脂として二液性熱硬化樹脂を用いるのが好ましい。本実施形態によれば、供給管３２および回収管３３の外周面のほとんどが封止部３４で囲まれるので、中心管３１の内部でこれらが強固に保持される。

図２（ａ）、図２（ｂ）および図３に示すように、複数の供給孔３１Ａおよび複数の回収孔３１Ｂが、それぞれが中心管３１の軸方向（ｘ軸方向）に延びる列をなすように、中心管３１の管壁に形成されている。また、複数の供給孔３１Ａと複数の回収孔３１Ｂは、ｘ軸方向において互いにずれた位置に形成されている。

図２（ｂ）に示すように、供給管３２の内周面は流入領域３Ａを区画し、回収管３３の内周面は流出領域３Ｂを区画している。図３に示すように、流入領域３Ａおよび流出領域３Ｂは、中心管３１の一端から他端にかけて中心管３１の軸方向（ｘ軸方向）に連続的に延びている。流入領域３Ａおよび流出領域３Ｂは、詳細は後述するが、第１液体が流れる流路を形成している。供給管３２は、中心管３１の供給孔３１Ａと連通する貫通孔３２Ａを有し、回収管３３は、中心管３１の回収孔３１Ｂと連通する貫通孔３３Ａを有する。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、積層体２０は、内側流路部材２２の両面に正浸透膜２１が重ね合せられた封筒状の膜リーフ２３と外側流路部材２４とが交互に積層された構成を有している。内側流路部材２２は、例えば樹脂などからなる網であり、正浸透膜２１同士の間に第１液体を流すための内側流路２０Ａを形成する。外側流路部材２４は、例えば樹脂からなる網であり、膜リーフ２３同士の間に第１液体よりも浸透圧の高い第２液体を流すための外側流路２０Ｂを形成する。本実施形態の正浸透膜エレメント２では、第２液体は加圧されて供給されるので、正浸透膜２１同士が密着してしまうことを防止するために内側流路部材２２としては比較的緻密な構造の網を用いることが好ましい。一方、外側流路部材２４は内側流路部材２２よりも目の粗い疎な構造の網である。

例えば、１枚の連続したシート２５が外側流路部材２４を挟んで二つ折りにされることにより、２枚の正浸透膜２１が形成される。膜リーフ２３はそのように形成された正浸透膜２１同士が内側流路部材２２を挟んで三辺で接合されることにより得られる。この接合には接着剤が用いられる。また、例えば、内側流路部材２２の１枚を延長させた延長部が中心管３１に直接巻き付けられ、その両端部が接着剤で封止されることにより、中心管３１の外周面に面する筒状流路２０Ｃが形成される。

積層体２０の構成は図２（ａ）および図２（ｂ）に示した構成に限られない。例えば連続したシートが蛇腹状に折り畳まれることにより、すべての正浸透膜２１がつながっていてもよい。

正浸透膜２１としては、例えば多孔性支持体上にスキン層を形成した複合膜を用いることができる。多孔性支持体としてはエポキシ樹脂多孔質膜を用いることができる。また、多孔性支持体上に形成するスキン層としては、多官能アミン成分と多官能酸ハロゲン成分とを重合してなるポリアミド系樹脂を含むスキン層を用いることができる。

ポリアミド系樹脂を含むスキン層をエポキシ樹脂多孔質膜の表面に形成する方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、界面縮合法、相分離法、薄膜塗布法を用いることができる。一例としては、多官能アミン成分を有するアミン水溶液と、多官能酸ハライド成分を含有する有機溶液とを接触させることによりスキン層を形成し、前記スキン層をエポキシ樹脂多孔質膜上に載置することとすればよい。前記多官能アミン成分としては、芳香族、脂肪族、または脂環式の多官能アミンが挙げられる。またこれらの多官能アミン成分は単独で用いてもよく、混合物としてもよい。前記多官能ハライド成分としては、芳香族、脂肪族、または脂環式の多官能酸ハロゲン化物を用いることができる。これらの多官能酸ハライド成分において単独で用いてもよいが、混合物として用いてもよい。

多孔性支持体の構成材料としては、上記以外のものを採用することができる。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。

また、スキン層の構成材料としては、上記以外のものを採用することができる。例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ＰＭＭＡ、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、エチレン−ビニルアルコール共重合体などが例示できる。

図３を参照して、中心管３１の内部と膜リーフ２３の内部について詳しく説明する。図３は、中心管３１内部および膜リーフ２３内部での液体の流れを模式的に示す断面図である。簡略化のために、１つの膜リーフ２３のみを図示している。

膜リーフ２３において、２枚の正浸透膜２１同士の三辺を接合する上述した接着剤からなる接合部２９によって空間が区画されている。この空間は、接合部２９が形成されない辺からこれと対向する辺まで、２枚の正浸透膜２１同士を接合する例えば接着剤からなる接合部２８によって区切られている。これにより、中心管３１の軸方向に並んだ３つの内部流路２６が形成されている。それぞれの内部流路２６には、接合部２９が形成されない辺からこれと対向する辺に向かって延び、かつ、接合部２９との間に隙間が形成されるように、２枚の正浸透膜２１同士を接合する例えば接着剤からなる接合部２７によって区切られている。

この接合部２７〜２９によって、内部流路２６は、膜リーフ２３の一端（接合部２９が形成されていない端）に第１開口２６Ａおよび第２開口２６Ａが形成され、第１開口２６Ａから第２開口２６Ｂに向かうＵ字状の流路として構成されている。また、１つの膜リーフ２３において全ての内部流路２６が中心管３１の軸方向（ｘ軸方向）に並列に並んでおり、それらの第１開口２６Ａおよび第２開口２６Ｂは中心管３１の軸方向（ｘ軸方向）に交互に並んでいる。

接合部２７〜２９は中心管３１の外周面に向かって延長されており、筒状流路２０Ｃを形成する内側流路部材２２を挟んで、正浸透膜２１は中心管３１の外周面に接合される。これによって、筒状流路２０Ｃは中心管３１の軸方向に分断されており、一の内部流路２６における第１開口２６Ａと第２開口２６Ｂとの間、あるいは、中心管３１の軸方向（ｘ軸方向）において隣り合う内部流路２６同士が隔離されている。

流入領域３Ａは、貫通孔３２Ａ、供給孔３１Ａおよび筒状流路２０Ｃを介して、第１開口２６Ａと連通している。また、流出領域３Ｂは、貫通孔３３Ａ、回収孔３１Ｂおよび筒状流路２０Ｃを介して、第２開口２６Ｂと連通している。実際には、第１開口２６Ａには、複数の貫通孔３２Ａおよび複数の供給孔３１Ａが連通し、第２開口２６Ｂには、複数の貫通孔３３Ａおよび複数の回収孔３１Ｂが連通しているが、図３では簡略化のためそれぞれ１つずつ図示している。

次に、図３を参照して、中心管３１内部および膜リーフ２３の内部流路２６における第１液体の流れを説明する。

図３の矢印は、スパイラル型正浸透膜エレメント２を流れる第１液体の流れを模式的に示している。正浸透膜モジュール１に供給された第１液体は、流入口７Ｂを介して、場合によっては上流側のスパイラル型正浸透膜エレメント２を介して、供給管３２に流入し、流入領域３Ａを第１液体が流れる。

流入領域３Ａを流れる第１液体は、貫通孔３２Ａ、供給孔３１Ａおよび筒状流路２０Ｃを介して、第１開口２６Ａから内部流路２６へ入り、内部流路２６を流れる。膜リーフ２３の外部には周辺供給部材８Ａから供給される第２液体（第１液体よりも高浸透圧の液体）が流れており、第１液体および第２液体が膜リーフ２３の正浸透膜２１の両面を流れている。従って、内部流路２６を流れる第１液体の一部は、浸透現象により正浸透膜２１を介して膜リーフ２３の外部へと移動する。そして、膜リーフ２３の上流側の内部流路２６から膜リーフ２３の外部へ移動しなかった第１液体は、内部流路２６の第２開口２６Ｂを出て、筒状流路２０Ｃ、回収孔３１Ｂおよび貫通孔３３Ａを介して、流出領域３Ｂへ入る。第１液体が溶質成分を含むものである場合には、流出領域３Ｂに入った第１液体は流入領域３Ａに流入した第１液体よりも濃縮されている。

この流出領域３Ｂに入った第１の液体は、場合によっては下流側のスパイラル型正浸透膜エレメント２の流出領域３Ｂを流れ、流出口７Ｄを介して正浸透膜モジュール１の外部に排出される。

図１に示す通り、正浸透モジュール１において、最下流に位置するスパイラル型正浸透膜エレメント２の供給管３２の他端はプラグ６Ｃによって封止されている。従って、正浸透膜モジュール１に供給された第１液体はスパイラル型正浸透膜エレメント２のいずれかの内部流路２６を流れて正浸透膜モジュール１から排出されることとなる。流入領域３Ａ内の第１液体が、流入領域３Ａを出て内部流路２６を流れ、一旦流出領域３Ｂに入ると、流出領域３Ｂ内の第１液体は、再び内部流路２６を流れることなく、外部に排出される。

すなわち、流入領域３Ａに供給された第１液体は内部流路２６を複数回流れることなく、外部に排出される。従って、従来技術のように、スパイラル型正浸透膜エレメントに供給された液体が２つの内部流路を順に通過して内部流路を２回流れるのに比べて、本実施形態は、スパイラル型正浸透膜エレメントの中心管内部および膜リーフ内部の液体流れの圧力損失を低減することができる。

本実施形態において、中心管３１の一端から他端にかけて、流入領域３Ａが形成する流路の断面積は一定であり、流出領域３Ｂが形成する流路の断面積も一定である。これにより、流入領域３Ａが形成する流路の断面積または流出領域３Ｂが形成する流路の断面積が、中心管３１の軸方向において変化することに伴い生じる圧力損失の増加を抑制できる。

本実施形態においては、流入領域３Ａが形成する流路の断面積が、流出領域３Ｂが形成する流路の断面積よりも大きい。内部流路２６において、第１液体の一部は正浸透膜２１を介して膜リーフ２３の外部へ移動するので、流出領域３Ｂによって形成される流路を流れる第１液体の流量は、流入領域３Ａによって形成される流路を流れる第１液体の流量よりも少なくなる。流入領域３Ａによって形成される流路および流出領域３Ｂによって形成される流路が上記のように構成されていれば、流入領域３Ａによって形成される流路により多くの第１液体を供給できるとともに、流出領域３Ｂによって形成される流路の利用効率を高めることができる。

流入領域３Ａが形成する流路の断面積Ｓａと流出領域３Ｂが形成する流路の断面積Ｓｂとの比Ｓａ／Ｓｂは、スパイラル型正浸透膜エレメントにおいて、第１液体の供給量と第１液体の排出量との間の良好なバランスを実現でき、効率の良い正浸透操作を実現できるように調整することが好ましい。

（変形例）
図４〜図６を参照して、変形例について説明する。図４〜図６は変形例に係るスパイラル型正浸透膜エレメント２の中心管３１のｚｙ平面の断面図を示したものである。変形例に係るスパイラル型正浸透膜エレメント２は、中心管３１の構造が異なる点を除き、第１の実施形態のスパイラル型正浸透膜エレメント２と同様に構成されている。

＜第１変形例＞
図４（ａ）および図４（ｂ）は、第１変形例に係る中心管３１の内部構造を示す断面図である。第１変形例において、管径の等しい２つの供給管３２が、それらの外周面が中心管３１の内周面と接するように並んで、中心管３１内に配置されている。また、管径の等しい２つの回収管３３が、それらの外周面が、中心管３１の内周面および２つの供給管３２の外周面と接するように配置されている。中心管３１の内周面と２つの供給管３２の外周面および２つの回収管３３の外周面との間には、供給管３２の外周面と回収管３３の外周面とが接する位置よりも中心管３１の内周面側に４つの隙間が存在する。そして、この４つ隙間に樹脂が充填され、封止部３４が形成されている。供給管３２の径は、回収管３３の径よりも大きく、流入領域３Ａが形成する流路の断面積が、流出領域３Ｂが形成する流路の断面積よりも大きい。

２つの供給管３２および２つの回収管３３は周方向に交互に配置されている。これに伴い、供給孔３１Ａおよび貫通孔３２Ａ、ならびに、回収孔３１Ｂおよび貫通孔３３Ａが、中心管３１周方向の２箇所に設けられている。従って、中心管３１の周方向の複数箇所において、流入領域３Ａから内部流路２６への第１液体の供給あるいは内部流路２６から流出領域３Ｂへの第１液体の回収が可能となる。これにより、中心管３１の周りに巻き回された複数の膜リーフ２３に対してより均等に第１液体を供給することができる。

また、第１変形例においては、第１の実施形態と比較して、中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との隙間を減らすことができる。従って、流入領域３Ａおよび流出領域３Ｂについてより多くの容積を確保でき、スパイラル型正浸透膜エレメントの処理能力の向上を図ることができる。また、第１の実施形態と比べて、中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との隙間に充填される樹脂の量を減らすことができる。

＜第２変形例＞
図５（ａ）および図５（ｂ）は、第２変形例に係る中心管３１の内部構造を示す断面図である。この中心管３１は、内部に中心管３１の一端から他端にかけて連続的に延びる仕切り部３６を有し、中心管３１の内周面と仕切り部３６とによって流入領域３Ａと流出領域３Ｂとが区画されている。仕切り部３６のｙ軸方向の長さは、中心管３１の内径よりも短い。従って、流入領域３Ａによって形成される流路の断面積が、流出領域３Ｂによって形成される流路の断面積よりも大きい。流入領域３Ａおよび流出領域３Ｂを中心管３１の外部と連通させるように中心管３１の管壁に貫通孔を設けられ、供給孔３１Ａおよび回収孔３１Ｂが形成されている。

仕切り部３６を有する中心管３１は、押出成形や射出成形などにより作製できる。また、中心管３６の内周面に仕切り部３６となる板状材を熱溶着、超音波溶着、溶接、接着等によって接合することによって作製することもできる。あるいは、断面が半円である２つの管を互いに接合して作製することもできる。

第２変形例によれば、中心管３１の内部に樹脂を充填して封止部３４を形成する必要がないので、中心管３１の内部の容積の多くを流入領域３Ａあるいは流出領域３Ｂとして利用することができ、スパイラル型正浸透膜エレメントの処理能力の向上を図ることができる。

＜第３変形例＞
図６（ａ）および図６（ｂ）は、第３変形例に係る中心管３１の内部構造を示す断面図である。第３変形例においては、中心管３１の内部に断面が楕円形状の内管３８が固定されている。内管３８の長手方向の外径は中心管３１の内径とほぼ一致しており、内管３８は長手方向において中心管３１の内周面と接するように配置されている。中心管３１の内周面と内管３８の外周面とによって流入領域３Ａが区画され、内管３８の内周面によって流出領域３Ｂが区画されている。中心管３１の管壁には、内管３８断面の長軸と交わる位置で互いに対向する複数の回収孔３１Ｂが形成されている。内管３８の管壁には、複数の回収孔３１Ｂに連通するように、複数の貫通孔３８Ａが形成されている。流出領域３Ｂは、貫通孔３８Ａおよび回収孔３１Ｂを介して中心管３１の外部と連通している。

中心管３１の管壁には、内管３８と接する位置（内管３８断面の長軸方向と交わる位置）以外の位置に供給孔３１Ａが形成されている。流入領域３Ａは、供給孔３１Ａを介して中心管３１の外部と連通している。

内部に内管３８を有する中心管３１は、押出成形や射出成形などにより作製できる。また、中心管３１の内周面と内管３８の外周面とを熱溶着、超音波溶着、溶接、接着等によって接合することによって作製することもできる。

第３変形例によれば、中心管３１の内周面と内管３８の内周面との隙間を流入領域３Ａとして利用することができるので、第１の実施形態と比べてスパイラル型正浸透膜エレメントの処理能力の向上を図ることができる。

また、中心管３１の管壁において、内管３８と接する位置（内管３８断面の長軸方向と交わる位置）以外の位置に供給孔３１Ａを形成することができるので、中心管３の周方向に巻き回された複数の膜リーフ２３の内部流路２６へより均等に液体を供給することを促進できる。

（その他の実施形態）
本発明のスパイラル型正浸透膜エレメントおよび正浸透モジュールは上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、様々な実施形態とすることが可能である。

第１の実施形態において、正浸透膜モジュール１の一端（図１の左側）に流入口７Ｂが設けられているが、図７に示すように、流入口７Ｂを有する流路部材７Ｅを両端のキャップ９Ｂの中心貫通孔９Ｃの圧力容器９Ａ側に取り付けて、正浸透膜モジュール１の両端に流入口７Ｂを設けてもよい。この場合に、さらにプラグ６Ｃに代えて供給連結部材６Ａを設ければ、正浸透膜モジュール１の両端からスパイラル型正浸透膜エレメント２の中心管３１内の流入領域３Ａに、第１液体を供給することができる。第１液体を正浸透膜モジュール１の両端からスパイラル型正浸透膜エレメント２の流入領域３Ａに供給すれば、正浸透膜モジュール１の一端から流入した第１液体の流れは、流入領域３Ａにおいて、正浸透膜モジュールの他端から流入した第１液体の流れとぶつかり、連結された複数のスパイラル型正浸透膜エレメントの流入領域３Ａが形成する流路の他端まで流れない。従って、中心管３１内の第１液体の流れの実質的な流路長が短くなり、中心管３１内を流れる第１液体の圧力損失をより低減できる。

第１の実施形態に係る正浸透膜モジュール１においては、複数のスパイラル型正浸透膜エレメント２が連結されて、圧力容器９Ａ内に装填されているが、圧力容器９Ａ内に、１つのスパイラル型正浸透膜エレメント２のみが装填されることとしてもよい。この場合においても、正浸透膜モジュール１の両端に流入口が設けられてもよい。

第１実施形態および変形例に記載の通り、流入領域３Ａによって形成される流路の断面積は流出領域３Ｂによって形成される流路の断面積よりも大きいことが好ましい。しかし、流入領域３Ａによって形成される流路の断面積と流出領域３Ｂによって形成される流路の断面積との大小関係はこれに限られない。両者が同じ大きさであってもよいし、場合によっては、両者の大小関係が逆転していてもよい。

第１の実施形態に記載の通り、第２液体の浸透圧は、第１液体の浸透圧よりも高いことが好ましいが、第１液体の浸透圧よりも低くてもよい。この場合には、膜リーフ２３の外部から正浸透膜２１を介して膜リーフ２３の内部流路２６へ第２の液体の一部が移動する。つまり、流入領域３Ａによって形成される流路を流れる流量よりも流出領域３Ｂによって形成される流路を流れる流量が多い。従って、流出領域３Ｂによって形成される流路の断面積は、流入領域３Ａによって形成される流路の断面積よりも大きいことが好ましい。

第１の実施形態および変形例においては、中心管および内管（供給管、回収管）として、円管あるいは楕円管を用いている。しかし、中心管および内管の形状はこれに限られない。方形管を用いてもよいし、断面形状としては任意の形状である管を用いることができる。ところで、スパイラル型正浸透膜エレメント２の中心管３の端部と中心供給部材７Ａまたは中心排出部材７Ｃ、あるいは、隣り合うスパイラル型正浸透膜エレメント２の中心管３の端部との間の封止のためにＯ−リング等のパッキンを用いることがある。この点を考慮すると、中心管または内管として、円管あるいは楕円管を用いるのが好ましい。

第１実施形態においては、中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との隙間に樹脂が充填されて、中心管３１内部に供給管３２および回収管３３を保持されていたが、回収管３２および回収管３３が内部で連結された中心管３１を押出成形などによって作製することとしてもよい。これによれば、中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との隙間に樹脂を充填して封止部３４を形成する必要がなくなる。

第１の実施形態において、第１開口２６Ａを形成する開口端の幅は、第２開口２６Ｂを形成する開口端の幅よりも長くてもよい。このようにすることで、第２開口２６Ｂの開口面積が第１開口２６Ａの開口面積よりも大きくなりやすい。膜リーフ２３の内部流路２６を流れる第１液体の一部は浸透現象により正浸透膜２１を介して膜リーフ２３の外部へ移動するので、第２開口２６Ｂを通る第１液体の流量は、第１開口２６Ａを通る第１液体の流量よりも低下する。第１開口２６Ａおよび第２開口２６Ｂについて上記の構成とすることで、第１開口２６Ａおよび第２開口２６Ｂのそれぞれを通過する第１液体の流量に合せた開口面積を確保することが容易となる。

第１の実施形態において、１つの膜リーフ２３の内部流路２６の数は３つであるが、これに限られない。１つの膜リーフにおいて内部流路の数は１つであってもよいし、２つであってもよいし、３つ以上であってもよい。内部流路が３つ以上であれば、内部流路の中心管軸方向の巾が小さくなって、内部流路の隅々まで液体を行き渡らせることができる。その結果、正浸透膜２１の利用効率を高めることができる。ただし、内部流路の数が多すぎると、内部流路２６内の流路抵抗が増し、また、接合部２７、２８として必要な部分の面積が増えてしまう。正浸透膜２１の利用効率を高める観点からは、１つの膜リーフ２３の内部流路２６の数は２〜５が適当である。

第１変形例においては、２つの供給管３２および２つの回収管３３が中心管３１の内部に固定されていたが、固定される供給管３２の数および回収管３３の数は２つ以上であってもよい。また、両者が等しい数である必要はなく、供給管３２または供給管３１の少なくとも一方が１つであってもよい。中心管３１の内部に固定される、供給管の数または回収管の数が増えるほど、中心管３１の内周面と供給管３２の外周面および回収管３３の外周面との隙間が減って、流入領域３Ａまたは流出領域３Ｂの容積をより多く確保できる。さらに、供給管３２の内径と回収管３３の内径は両者が同一であってもよいし、場合によっては回収管３３の内径が供給管３２の内径よりも大きくてもよい。

１ 正浸透膜モジュール
２ スパイラル型正浸透膜エレメント
２０ 積層体
２１ 正浸透膜
２３ 膜リーフ
２６ 内部流路
２６Ａ 第１開口
２６Ｂ 第２開口
３１ 中心管
３Ａ 流入領域
３Ｂ 流出領域
３１Ａ 供給孔
３１Ｂ 回収孔
３２ 供給管
３２Ａ 貫通孔
３３ 回収管
３３Ａ 貫通孔
３４ 封止部
３６ 仕切り部
３８ 内管
３８Ａ 貫通孔
６Ａ 供給連結部材
６Ｂ、６Ｅ 連結部材
６Ｃ、６Ｄ プラグ
６Ｆ 排出連結部材
７Ｂ 流入口
７Ｄ 流出口
９Ａ 圧力容器

Claims (11)

1. 第１開口から第２開口へ延びるＵ字状の内部流路が形成された膜リーフと、
   前記膜リーフが巻き回された、前記第１開口と連通する供給孔および前記第２開口と連通する回収孔を有する中心管と、を備え、
   前記中心管の内部は、前記供給孔と連通する流入領域および前記回収孔と連通する流出領域のそれぞれが前記中心管の一端から他端にかけて前記中心管の軸方向に連続的に延びる流路を形成するように区画されており、
   前記流入領域が形成する流路の断面積および前記流出領域が形成する流路の断面積は、前記中心管の一端から他端にかけて一定である、
   スパイラル型正浸透膜エレメント。
2. 前記中心管に第１流体が供給され、前記膜リーフの外部に前記第１流体よりも浸透圧が高い第２流体が供給される、請求項１に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
3. 前記流入領域が形成する流路の断面積は、前記流出領域が形成する流路の断面積よりも大きい、請求項１又は２に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
4. 前記第１開口を形成する開口端の幅は、前記第２開口を形成する開口端の幅よりも大きい、請求項３に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
5. 前記膜リーフには、前記中心管の軸方向に並ぶ複数の前記内部流路が形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
6. 前記中心管内に配置され、前記供給孔と連通する貫通孔が形成された前記流入領域を区画する供給管と、
   前記中心管内に配置され、前記回収孔と連通する貫通孔が形成された前記流出領域を区画する回収管と、を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
7. 前記供給管の外周面および前記回収管の外周面と前記中心管の内周面との隙間に樹脂が充填されている、請求項６に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
8. 複数の前記供給管および／または複数の前記供給管が、前記中心管内に配置されている、請求項６または請求項７に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
9. 前記中心管の内部で一端から他端にかけて連続的に延びる仕切り部を有し、前記中心管の内部は、前記仕切り部によって前記流入領域および前記流出領域に区画されている、請求項１〜５のいずれかに１項に記載のスパイラル型正浸透膜エレメント。
10. 圧力容器と、
    前記圧力容器内に装填された請求項１〜９のいずれか１項に記載のスパイラル型正浸透膜エレメントと、を備えた正浸透膜モジュール。
11. 連結された複数の前記スパイラル型正浸透膜エレメントが前記圧力容器内に装填され、前記スパイラル型正浸透膜エレメントの前記流入領域に液体を流入させるための流入口を両端に備える、請求項１０に記載の正浸透膜モジュール。

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