JP7158254B2 - 水道水を浄化する方法 - Google Patents

Description

本開示は、水道水を浄化する方法に関する。

分離膜エレメントは、海水の淡水化、純水の製造、水道水の浄化、廃水処理、原油の採掘などの様々な分野で使用されている。例えば、スパイラル型の分離膜エレメントは、集水管と、集水管に巻きつけられた分離膜とを備えている。処理されるべき原水は、分離膜と分離膜との間に定められた原水流路を流れる。透過水は、透過水流路を通じて集水管に集められる。

分離膜エレメントを使用して原水を処理するとき、原水から多くの透過水を回収できることが望ましい。特許文献１には、長期安定運転を可能にするツリー構造のＲＯ装置が記載されている。

特開２００７－１２５５２７号公報 米国特許出願公開第２０１４／００４２０８０号明細書

しかし、ツリー構造を使用できなかったり、分離膜エレメントを単段で使用することが要求されたりすることがある。この場合、透過水の量を増やすことは容易ではない。

分離膜エレメントを単段で使用して高回収率運転を行うと、原水の線速が原水流路の出口付近で大幅に低下し、塩阻止率及び透過水量が大幅に低下する。なぜなら、原水の線速が低下することによって、原水スペーサによる原水の撹拌効果が低下し、濃度分極層が発達する。これにより、塩阻止率及び透過水量が低下する。

例えば、水道水の浄化に分離膜エレメントを使用するとき、水資源の乏しい国又は地域においては、高い回収率にて水道水を浄化することが望まれる。しかし、高回収率運転を行うと、分離膜エレメントの性能の低下の問題が顕在化する。

本開示は、分離膜エレメントの性能の低下を抑制しつつ、高回収率にて水道水を浄化する方法を提供する。

本開示は、
集水管と、前記集水管に巻きつけられた分離膜と、前記集水管の長手方向における前記分離膜の一方の端面である第１端面と、前記集水管の長手方向における前記分離膜の他方の端面である第２端面と、前記第１端面から前記第２端面まで直線状に延びる第１原水流路と、前記第２端面から前記第１端面まで直線状に延びる第２原水流路と、を備えた分離膜エレメントを用いて水道水を浄化する方法であって、
前記第１端面を通じて前記第１原水流路に前記水道水を流入させることと、
前記第２端面を通じて前記第１原水流路から前記水道水を排出させることと、
前記第２端面を通じて、前記第１原水流路から排出された前記水道水を前記第２原水流路に流入させることと、
を含む、方法を提供する。

本開示の方法において、原水流路の合計の長さは、第１端面と第２端面との間の距離の２倍以上である。原水流路の流路断面積を減らし、原水流路の合計長さを増やすことによって、原水の線速を上げて濃度分極層が発達することを抑制できる。つまり、本開示の方法は、分離膜エレメントの性能の低下を抑制しつつ、高回収率にて水道水を浄化することを可能にする。

図１は、本開示の一実施形態に係る分離膜エレメントの斜視図である。 図２は、図１に示す分離膜エレメントの縦断面図である。 図３は、図１に示す分離膜エレメントの展開斜視図である。 図４Ａは、第１端面又は第２端面から見たときの分離膜エレメントの正面図である。 図４Ｂは、第１端面又は第２端面の部分拡大斜視図である。 図５は、原水スペーサに仕切りを一体化させる方法を示す図である。 図６は、変形例に係る原水スペーサの斜視図である。 図７Ａは、第１角度及び第２角度の別の例を示す模式図である。 図７Ｂは、第１角度及び第２角度のさらに別の例を示す模式図である。 図７Ｃは、第１角度及び第２角度のさらに別の例を示す模式図である。 図８Ａは、変形例１に係る分離膜エレメントの斜視図である。 図８Ｂは、第２端面から見たときの分離膜エレメントの模式的な平面図である。 図８Ｃは、第１端面から見たときの分離膜エレメントの模式的な平面図である。 図９Ａは、変形例２に係る分離膜エレメントの斜視図である。 図９Ｂは、第１端面又は第２端面から見たときの分離膜エレメントの模式的な正面図である。 図１０は、変形例２の分離膜エレメントに使用された４枚の原水スペーサの展開図である。 図１１は、仕切りの位置を決定するために用いられる曲線を示す図である。 図１２は、本開示の一実施形態に係る分離膜モジュールの断面図である。 図１３は、本開示の一実施形態に係る浄水器の正面図である。 図１４は、特許文献２に記載された逆浸透膜エレメントの問題点を説明する図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

本開示の方法において、原水は、分離膜エレメントの端面間を往復する。本開示の方法に使用できる分離膜エレメントを具体的に説明する。

図１は、本実施形態の分離膜エレメント１０の構成を概略的に示している。図１に示すように、分離膜エレメント１０は、第１端面１０ｐ、第２端面１０ｑ、第１原水流路１５及び第２原水流路１６を備えている。第１端面１０ｐ及び第２端面１０ｑは、互いに向かい合う端面である。第１原水流路１５は、第１端面１０ｐから第２端面１０ｑまで延びている。第２原水流路１６は、第２端面１０ｑから第１端面１０ｐまで延びている。第１原水流路１５は、第２原水流路１６に直列に接続されている。

分離膜エレメント１０は、詳細には、集水管２１及び積層体２２を備えている。積層体２２は、分離膜１２を含み、集水管２１の周囲に配置されている。第１原水流路１５及び第２原水流路１６は、積層体２２の内部に形成された流路である。第１端面１０ｐは、集水管２１の長手方向における分離膜１２の一方の端面である。第２端面１０ｑは、集水管２１の長手方向における分離膜１２の他方の端面である。

矢印で示すように、分離膜エレメント１０において、原水は、第１端面１０ｐを通過して第１原水流路１５に流入し、第２端面１０ｑを通過して第１原水流路１５から流出する。その後、原水は、第２端面１０ｑを通過して第２原水流路１６に流入し、第１端面１０ｐを通過して第２原水流路１６から流出する。原水は、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間を往復する。

従来の分離膜エレメントにおいて、原水流路の長さは、分離膜エレメントの端面間の距離に等しい。例えば、透過水の回収率を５０％に設定して運転を行う場合、原水流路の出口付近における原水の流量は入口付近における原水の流量の約半分である。そのため、原水流路の出口付近において、原水の線速は著しく低下する。その結果、濃度分極層が発達し、塩阻止率及び透過水量が低下する。

これに対し、本実施形態の分離膜エレメント１０において、原水流路の合計の長さは、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間の距離の２倍以上である。原水流路の流路断面積を減らし、原水流路の合計長さを増やすことによって、原水の線速を上げて濃度分極層が発達することを抑制できる。つまり、本実施形態の分離膜エレメント１０は、高回収率運転を行っても性能（塩阻止率及び透過水量）が低下しにくい。また、原水の線速を上げることによって、スケールの付着を抑制することも可能である。

特に、原水の流れ方向における下流側に進むにつれて原水流路の流路断面積が段階的に減少している場合、原水の線速を上げることによる上記の効果をより十分に得ることができる。

図１４に示すように、特許文献２に記載された逆浸透膜エレメントは、蛇行した原水流路を備えている。原水流路の合計の長さは、逆浸透膜エレメントの端面間の距離の２倍以上である。しかし、蛇行した原水流路は、複数の淀み領域ＳＡを生じさせる。淀み領域ＳＡにおける原水の線速は非常に遅い。つまり、淀み領域ＳＡは、分離機能に殆ど寄与しない。

これに対し、本実施形態の分離膜エレメント１０において、原水は、第２端面１０ｑを通過して第１原水流路１５から流出したのち、第２端面１０ｑを通過して第２原水流路１６に流入する。つまり、原水は、分離膜と分離膜との間の空間である第１原水流路１５から一旦外部に出て、再度、分離膜と分離膜との間の別の空間である第２原水流路１６に流入する。原水は、それぞれの原水流路内を直進し、流れの方向が変わることがないため、第１原水流路１５にも第２原水流路１６にも淀み領域が生じにくい。

本実施形態では、第１原水流路１５も第２原水流路１６も蛇行しておらず、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間において直線状に延びている。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。

本実施形態において、第１原水流路１５の長さは、第２原水流路１６の長さに等しい。第１原水流路１５における原水の流れ方向は、第２原水流路１６における原水の流れ方向と平行である。詳細には、第１原水流路１５における原水の流れ方向は、第２原水流路１６における原水の流れ方向と１８０度反対の方向である。第１原水流路１５における原水の流れ方向及び第２原水流路１６における原水の流れ方向は、集水管２１の長手方向に平行である。第１原水流路１５から第２原水流路１６に移るとき、原水の流れ方向が１８０度反転する。このような構成によれば、分離膜エレメント１０をコンパクトに構成することが可能である。

第２原水流路１６の流路断面積は、例えば、第１原水流路１５の流路断面積よりも小さい。このような構成によれば、第２原水流路１６において原水の線速が低下しにくい。そのため、分離膜エレメント１０は、高回収率運転に適している。

第１原水流路１５の流路断面積は、第１原水流路１５としての空間の体積を集水管２１の長手方向における第１原水流路１５の長さで割ることによって算出されうる。集水管２１の長手方向における第１原水流路１５の長さは、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間の最短距離に等しい。第２原水流路１６の流路断面積も同じ方法で算出されうる。

本実施形態では、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとを最短距離で結ぶ線分に垂直な断面における第１原水流路１５の面積が一定である。言い換えれば、第１原水流路１５の流路断面積は、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとを最短距離で結ぶ線分に垂直な断面における第１原水流路１５の面積で表される。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。「第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとを最短距離で結ぶ線分に垂直な断面」は、集水管２１の長手方向に垂直な断面である。

同様に、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとを最短距離で結ぶ線分に垂直な断面における第２原水流路１６の面積が一定である。言い換えれば、第２原水流路１６の流路断面積は、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとを最短距離で結ぶ線分に垂直な断面における第２原水流路１６の面積で表される。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。

第１原水流路１５の入口は、第１端面１０ｐに位置している。第１原水流路１５の出口は、第２端面１０ｑに位置している。第２原水流路１６の入口は、第２端面１０ｑに位置している。第２原水流路１６の出口は、第１端面１０ｐに位置している。言い換えれば、第１原水流路１５は、第１端面１０ｐ及び第２端面１０ｑのそれぞれにおいて開口している。第２原水流路１６は、第１端面１０ｐ及び第２端面１０ｑのそれぞれにおいて開口している。

第１原水流路１５の入口の開口面積は、分離膜エレメント１０の内部における第１原水流路１５の流路断面積に等しい。第１原水流路１５の出口の開口面積は、分離膜エレメント１０の内部における第１原水流路１５の流路断面積に等しい。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。

第２原水流路１６の入口の開口面積は、分離膜エレメント１０の内部における第２原水流路１６の流路断面積に等しい。第２原水流路１６の出口の開口面積は、分離膜エレメント１０の内部における第２原水流路１６の流路断面積に等しい。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。

本実施形態において、原水は、典型的には、水道水である。分離膜エレメント１０は、高い塩阻止率及び透過水量を維持しつつ、高い回収率にて水道水を浄化することができる。この効果は、水資源の乏しい国又は地域において特に有意である。

本明細書において、水道水は、浄水場から蛇口に供給される水を意味する。

図２は、分離膜エレメント１０の縦断面を概略的に示している。図２に示すように、分離膜エレメント１０は、連絡流路２７をさらに備えている。連絡流路２７は、第２端面１０ｑにおける第１原水流路１５の出口と第２端面１０ｑにおける第２原水流路１６の入口とを接続している。連絡流路２７は、第１原水流路１５から第２原水流路１６への原水の移送を可能にする。

本実施形態において、連絡流路２７は、第２端面１０ｑを覆っているカバー２８の内部空間でありうる。カバー２８は、第２端面１０ｑを覆い、連絡流路２７としての隔離部屋を形成している。このような構成によれば、第１原水流路１５から第２原水流路１６に原水が移送されうる。カバー２８は、例えば、積層体２２に取り付けられている。後述するように、カバー２８は、分離膜エレメント１０の全体を収容するケーシングの一部であってもよい。

分離膜エレメント１０は、第１端面１０ｐにおける第１原水流路１５の入口と第１端面１０ｐにおける第２原水流路１６の出口とを仕切る隔壁を含むアダプタを備えていてもよい。アダプタは、処理されるべき原水と濃縮された原水との混合を防ぎつつ、第１原水流路１５に処理されるべき原水を導き、第２原水流路１６から濃縮された原水を回収する。このようなアダプタは、積層体２２に取り付けられてもよく、分離膜エレメント１０の全体を収容するケーシングの一部であってもよい。

図３は、図１に示す分離膜エレメント１０を部分的に展開して示している。積層体２２は、分離膜１２、原水スペーサ１３及び透過水スペーサ１４によって構成されている。分離膜１２の端面が積層体２２の端面を構成する。積層体２２は、詳細には、複数の分離膜１２、複数の原水スペーサ１３及び複数の透過水スペーサ１４によって構成されている。原水スペーサ１３及び透過水スペーサ１４は、例えば、網状の部材である。

複数の分離膜１２は、互いに重ね合わされ、袋状の構造を有するように３辺において封止され、集水管２１に巻きつけられている。袋状の構造の外部に位置するように、分離膜１２と分離膜１２との間に原水スペーサ１３が配置されている。原水スペーサ１３は、分離膜１２と分離膜１２との間に原水流路としての空間を確保している。原水流路には、第１原水流路１５及び第２原水流路１６が含まれる。袋状の構造の内部に位置するように、分離膜１２と分離膜１２との間に透過水スペーサ１４が配置されている。透過水スペーサ１４は、分離膜１２と分離膜１２との間に透過水流路としての空間を確保している。１対の分離膜１２及び透過水スペーサ１４によって膜リーフ１１が構成されている。透過水流路が集水管２１に連通するように、膜リーフ１１の開口端が集水管２１に接続されている。

第１端面１０ｐ及び第２端面１０ｑは、それぞれ、集水管２１の長手方向における分離膜１２の端面でありうる。このような構成によれば、分離膜１２の端から端まで第１原水流路１５及び第２原水流路１６が形成されるので、分離膜１２の分離機能を最大限に発揮させることが可能である。

本実施形態の分離膜エレメント１０は、スパイラル型の分離膜エレメントでありうる。スパイラル型の分離膜エレメントの材料、構造、特性、製造方法などは良く知られている。そのため、最小限の設計変更にて、既存のスパイラル型の分離膜エレメントに本開示の技術を適用することが可能である。

分離膜１２は、例えば、逆浸透膜、ナノ濾過膜、限外濾過膜又は精密濾過膜である。分離膜１２は、典型的には、逆浸透膜又はナノ濾過膜である。

集水管２１は、各分離膜１２を透過した透過水を集めて分離膜エレメント１０の外部に導く役割を担っている。集水管２１には、その長手方向に沿って複数の貫通孔２１ｈが所定間隔で設けられている。透過水は、これらの貫通孔２１ｈを通じて集水管２１の中に流入する。

図４Ａは、第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑから見たときの分離膜エレメント１０の正面図である。本実施形態において、第１原水流路１５は、集水管２１の周方向における第１角度θ１の領域を占有する流路である。第２原水流路１６は、集水管２１の周方向における第２角度θ２の領域を占有する流路である。第１角度θ１は、第２角度θ２と異なる。詳細には、第１角度θ１は、第２角度θ２よりも大きい。このような構成によれば、第２原水流路１６における原水の線速の低下を十分に抑制することができる。また、第１角度θ１及び第２角度θ２を適切に変更することによって、第１原水流路１５における原水の線速と第２原水流路１６における原水の線速とを均一化することも可能である。

図４Ａの例において、第１角度θ１は２４０度であり、第２角度θ２は１２０度である。したがって、第１原水流路１５の流路断面積に対する第２原水流路１６の流路断面積の比率は、０．５である。

分離膜エレメント１０は、複数の仕切り２３をさらに備えている。複数の仕切り２３のそれぞれが第１原水流路１５と第２原水流路１６とを仕切っている。複数の仕切り２３のそれぞれが集水管２１の長手方向に延びている。このような構成によれば、第１原水流路１５と第２原水流路１６とを確実に仕切ることができる。第１原水流路１５から第２原水流路１６に原水がショートカットして流れることも防止できる。

仕切り２３は、第１端面１０ｐから第２端面１０ｑまで延びている。このような構成によれば、第１原水流路１５と第２原水流路１６とを確実に仕切ることができる。

図４Ｂは、第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑの一部を拡大して示している。図４Ｂに示すように、膜リーフ１１と膜リーフ１１との間に原水スペーサ１３が配置されている。この例では、仕切り２３の右側の空間が第１原水流路１５であり、仕切り２３の左側の空間が第２原水流路１６である。仕切り２３は、原水スペーサ１３に一体化されている。言い換えれば、仕切り２３は、原水スペーサ１３の一部であってもよい。このような構成によれば、第１原水流路１５と第２原水流路１６とを確実に仕切ることができる。第１原水流路１５から第２原水流路１６に原水がショートカットして流れることも防止できる。各仕切り２３は、帯状の形状を有する。

図４Ａに示すように、複数の仕切り２３は、第１の角度位置Ｐ１において集水管２１の半径方向に並べられた複数の第１仕切り２３１と、第２の角度位置Ｐ２において集水管２１の半径方向に並べられた複数の第２仕切り２３２と、を含む。第１の角度位置Ｐ１及び第２の角度位置Ｐ２は、集水管２１の周方向における所定の角度位置である。このような構成によれば、第１原水流路１５と第２原水流路１６とを確実に仕切ることができる。第１原水流路１５から第２原水流路１６に原水がショートカットして流れることも防止できる。

図５は、原水スペーサ１３に仕切り２３を一体化させる方法の一例を示している。具体的には、原水スペーサ１３の所定の位置に仕切り２３の原料部材であるリボン２３ａを配置する。原水スペーサ１３及びリボン２３ａを耐熱シート２５で挟み、リボン２３ａが溶融し、原水スペーサ１３が溶融しない温度にて、原水スペーサ１３及びリボン２３ａに熱及び圧力を加える。リボン２３ａが溶融及び固化することによって、原水スペーサ１３に一体化された仕切り２３が形成される。仕切り２３は、例えば、ホットメルト樹脂によって作られている。図５に示す方法によれば、原水スペーサ１３に仕切り２３を容易に一体化させることができる。仕切り２３の厚さを原水スペーサ１３の厚さに一致させることができるとともに、平滑な表面の仕切り２３を形成することができる。仕切り２３の形成後、耐熱シート２５は、原水スペーサ１３から剥離され、除去される。集水管２１に膜リーフ１１と原水スペーサ１３を巻きつけた後、巻回体を再加熱することによって、仕切り２３と分離膜１２との間のシール性を向上させることも可能である。

仕切り２３は、シリコーンシーラントによって作られていてもよい。シリコーンシーラントを使用する場合、耐熱シート２５に代えて、ワックスペーパーを使用できる。

図６は、変形例に係る原水スペーサ１３１を示している。原水スペーサ１３１は、多数の開口を有するシート状の本体部１３２と、本体部１３２に一体化された複数の仕切り２３とを備えている。複数の仕切り２３は、互いに平行に並んでいる。仕切り２３は、本体部１３２の厚さを上回る厚さを有している。このような原水スペーサ１３１は、シート材料を加工してロールツーロール方式で作製されうる。仕切り２３を有する原水スペーサは、多数の開口部を有するネットと、仕切り２３としての帯状の部材とを交互に接続することによって作製されてもよい。

図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、図４Ａを参照して説明した第１角度θ１及び第２角度θ２の別の例を示している。第１角度θ１は、第１原水流路１５が占有する領域の角度である。第２角度θ２は、第２原水流路１６が占有する領域の角度である。図７Ａに示すように、例えば、第１角度θ１が２５７度であり、第２角度θ２が１０３度である。図７Ｂに示すように、例えば、第１角度θ１が２７０度であり、第２角度θ２が９０度である。図７Ｃに示すように、例えば、第１角度θ１が２８８度であり、第２角度θ２が７２度である。原水の線速が十分に維持されるように、第１角度θ１及び第２角度θ２が適切に設定されうる。図７Ａに示す例において、回収率は、例えば６０％である。図７Ｂに示す例において、回収率は、例えば６７％である。図７Ｃに示す例において、回収率は、例えば７５％である。「回収率」は、原水の量に対する透過水の量の比率である。「原水の量」は、第１原水流路１５の入口における原水の量である。

（変形例１）
図８Ａは、変形例１に係る分離膜エレメント２０の構成を概略的に示している。図８Ｂは、第２端面１０ｑから見たときの分離膜エレメント２０の模式的な平面図である。図８Ｃは、第１端面１０ｐから見たときの分離膜エレメント２０の模式的な平面図である。分離膜エレメント１０に関する全ての説明は、技術的な矛盾が無い限り、分離膜エレメント２０にも適用されうる。

図８Ａに示すように、分離膜エレメント２０は、分離膜エレメント１０の構成に加え、第１端面１０ｐから第２端面１０ｑまで延びる第３原水流路１７をさらに備えている。矢印で示すように、分離膜エレメント２０において、原水は、第１端面１０ｐを通過して第１原水流路１５に流入し、第２端面１０ｑを通過して第１原水流路１５から流出する。次に、原水は、第２端面１０ｑを通過して第２原水流路１６に流入し、第１端面１０ｐを通過して第２原水流路１６から流出する。さらに、原水は、第１端面１０ｐを通過して第３原水流路１７に流入し、第２端面１０ｑを通過して第３原水流路１７から流出する。つまり、原水は、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間を１．５往復する。本変形例によれば、原水流路の合計長さを更に増やすことによって、各原水流路の流路断面積が減少する。その結果、原水の線速を上げて濃度分極層が発達することを更に抑制できる。

第１原水流路１５及び第２原水流路１６と同様、第３原水流路１７も第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間を直線状に延びている。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。

第１原水流路１５から第２原水流路１６に移るとき、原水の流れ方向が１８０度反転する。第２原水流路１６から第３原水流路１７に移るとき、原水の流れ方向が１８０度反転する。このような原水の流れは、別の変形例及び別の実施形態にも適用されている。

本変形例において、第１原水流路１５は、集水管２１の周方向における第１角度θ１の領域を占有している。第２原水流路１６は、集水管２１の周方向における第２角度θ２の領域を占有している。第３原水流路１７は、集水管２１の周方向における第３角度θ３の領域を占有している。第１角度θ１は、第２角度θ２よりも大きい。第２角度θ２は、第３角度θ３よりも大きい。このような構成によれば、原水の線速の低下を十分に防ぐことができる。例えば、第１角度θ１が１６０度であり、第２角度θ２が１２０度であり、第３角度θ３が８０度である。

第２原水流路１６の流路断面積は第１原水流路１５の流路断面積よりも小さい。第３原水流路１７の流路断面積は第２原水流路１６の流路断面積よりも小さい。つまり、下流側に位置している原水流路の流路断面積は、上流側に位置している原水流路の流路断面積よりも小さい。このような構成によれば、第２原水流路１６及び第３原水流路１７において原水の線速が低下しにくい。そのため、分離膜エレメント２０は、高回収率運転に適している。

複数の仕切り２３は、第１原水流路１５、第２原水流路１６及び第３原水流路１７を相互に仕切っている。これにより、原水は、流路をショートカットすることなく、第１原水流路１５、第２原水流路１６及び第３原水流路１７を順番に流れる。

図４Ａを参照して説明した構成は、本変形例にも適用されうる。具体的には、複数の仕切り２３は、第１の角度位置において集水管２１の半径方向に並べられた第１の複数の仕切りと、第２の角度位置において集水管２１の半径方向に並べられた第２の複数の仕切りと、第３の角度位置において集水管２１の半径方向に並べられた第３の複数の仕切りと、を含む。第１の角度位置、第２の角度位置及び第３の角度位置は、集水管２１の周方向における所定の角度位置である。このような構成によれば、第１原水流路１５、第２原水流路１６及び第３原水流路１７を相互に確実に仕切ることができる。

分離膜エレメント２０は、連絡流路３１及び連絡流路３２をさらに備えている。連絡流路３１は、第２端面１０ｑにおける第１原水流路１５の出口と第２端面１０ｑにおける第２原水流路１６の入口とを接続している。連絡流路３１は、第３原水流路１７から隔離されている。連絡流路３２は、第１端面１０ｐにおける第２原水流路１６の出口と第１端面１０ｐにおける第３原水流路１７の入口とを接続している。連絡流路３２は、第１原水流路１５から隔離されている。連絡流路３１は、第１原水流路１５から第２原水流路１６への原水の移送を可能にする。連絡流路３２は、第２原水流路１６から第３原水流路１７への原水の移送を可能にする。

本変形例において、連絡流路３１は、第２端面１０ｑを覆っているカバー２８１の内部空間でありうる。連絡流路３２は、第１端面１０ｐを覆っているカバー２８２の内部空間でありうる。図８Ｂに示すように、カバー２８１は、第２端面１０ｑを覆い、連絡流路３１としての隔離部屋を形成している。カバー２８１は、第１原水流路１５の出口及び第２原水流路１６の入口を第３原水流路１７の出口から隔離している。図８Ｃに示すように、カバー２８２は、第１端面１０ｐを覆い、連絡流路３２としての隔離部屋を形成している。カバー２８２は、第２原水流路１６の出口及び第３原水流路１７の入口を第１原水流路１５の入口から隔離している。カバー２８１は、第２端面１０ｑを部分的に覆っていてもよい。カバー２８２は、第１端面１０ｐを部分的に覆っていてもよい。このような構成によれば、第１原水流路１５、第２原水流路１６及び第３原水流路１７の順番で原水が流れる。図１４を参照して説明した淀み領域ＳＡが形成されることも防止できる。第２原水流路１６を流れることなく第１原水流路１５から第３原水流路１７に原水がショートカットして流れたり、第３原水流路１７から第１原水流路１５に原水が戻ったりすることも防止できる。カバー２８１及びカバー２８２は、例えば、積層体２２に取り付けられている。

（変形例２）
図９Ａは、変形例２に係る分離膜エレメント３０の構成を概略的に示している。図９Ｂは、第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑから見たときの分離膜エレメント３０の模式的な平面図である。分離膜エレメント１０及び２０に関する全ての説明は、技術的な矛盾が無い限り、分離膜エレメント３０にも適用されうる。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、分離膜エレメント３０は、分離膜エレメント２０の構成に加え、第２端面１０ｑから第１端面１０ｐまで延びる第４原水流路１８をさらに備えている。矢印で示すように、分離膜エレメント３０において、原水は、第１端面１０ｐを通過して第１原水流路１５に流入し、第２端面１０ｑを通過して第１原水流路１５から流出する。次に、原水は、第２端面１０ｑを通過して第２原水流路１６に流入し、第１端面１０ｐを通過して第２原水流路１６から流出する。次に、原水は、第１端面１０ｐを通過して第３原水流路１７に流入し、第２端面１０ｑを通過して第３原水流路１７から流出する。さらに、原水は、第２端面１０ｑを通過して第４原水流路１８に流入し、第１端面１０ｐを通過して第４原水流路１８から流出する。つまり、原水は、第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間を２往復する。本変形例によれば、原水流路の合計長さを更に増やすことによって各原水流路の流路断面積が減少する。その結果、原水の線速を上げて濃度分極層が発達することを更に抑制できる。

第１原水流路１５、第２原水流路１６及び第３原水流路１７と同様、第４原水流路１８も第１端面１０ｐと第２端面１０ｑとの間を直線状に延びている。このような構成によれば、淀み領域ができることをより確実に防止できる。

本変形例において、第１原水流路１５は、集水管２１の周方向における第１角度θ１の領域を占有している。第２原水流路１６は、集水管２１の周方向における第２角度θ２の領域を占有している。第３原水流路１７は、集水管２１の周方向における第３角度θ３の領域を占有している。第４原水流路１８は、集水管２１の周方向における第４角度θ４の領域を占有している。第１角度θ１は、第２角度θ２よりも大きい。第２角度θ２は、第３角度θ３よりも大きい。第３角度θ３は、第４角度θ４よりも大きい。このような構成によれば、原水の線速の低下を十分に防ぐことができる。例えば、第１角度θ１が１２０度であり、第２角度θ２が１００度であり、第３角度θ３が８０度であり、第４角度θ４が６０度である。

第２原水流路１６の流路断面積は第１原水流路１５の流路断面積よりも小さい。第３原水流路１７の流路断面積は第２原水流路１６の流路断面積よりも小さい。第４原水流路１８の流路断面積は第３原水流路１７の流路断面積よりも小さい。このような構成によれば、第２原水流路１６、第３原水流路１７及び第４原水流路１８において原水の線速が低下しにくい。そのため、分離膜エレメント３０は、高回収率運転に適している。

複数の仕切り２３は、第１原水流路１５、第２原水流路１６、第３原水流路１７及び第４原水流路１８を相互に仕切っている。これにより、原水は、流路をショートカットすることなく、第１原水流路１５、第２原水流路１６、第３原水流路１７及び第４原水流路１８を順番に流れる。

変形例１及び変形例２から理解できるように、原水流路の数は、２つに限定されず、３以上であってもよい。原水流路の数を増やせば増やすほど、各原水流路の流路断面積が減少し、原水の線速は上がる。仕切り２３による膜面積の減少、製造容易性などを考慮して、原水流路の数、及び、各原水流路が占有する領域の角度が決定される。

本変形例から理解できるように、本開示の分離膜エレメントは、第１原水流路１５及び第２原水流路１６に加えて、第１端面１０ｐから第２端面１０ｑまで直線状に延びる少なくとも１つの追加の原水流路をさらに備えていてもよい。少なくとも１つの追加の原水流路は、本変形例では、第３原水流路１７及び第４原水流路１８に相当する。原水は、第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑを通過して追加の原水流路から流出する。その後、原水は、追加の原水流路から流出する際に通過した第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑを再び通過し、追加の原水流路に隣接するとともに追加の原水流路の下流側に位置する別の追加の原水流路に流入する。

例えば、分離膜エレメントがｎ個（ｎは２以上の整数）の原水流路を備えているとき、原水は、第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑを通過してｋ番目（ｋは１以上、ｎ－１以下の任意の整数）の原水流路から流出する。その後、原水は、ｋ番目の原水流路から流出する際に通過した第１端面１０ｐ又は第２端面１０ｑを再び通過し、ｋ番目の原水流路に隣接するとともにｋ番目の原水流路の下流側に位置する（ｋ＋１）番目の原水流路に流入する。

次に、原水スペーサ１３における仕切り２３の位置について説明する。

分離膜エレメント１０，２０及び３０は、例えば、集水管２１に巻きつけられた４枚の膜リーフ１１（図３参照）及び４枚の原水スペーサ１３を有する。各膜リーフ１１は、例えば、１対の分離膜１２及び透過水スペーサ１４によって構成されている。集水管２１に膜リーフ１１及び原水スペーサ１３を巻きつけるとき、ワーク（組立中の分離膜エレメント）の半径が徐々に増加するので、４枚の原水スペーサ１３における仕切り２３の間隔は等間隔ではない。膜リーフ１１及び原水スペーサ１３の数は、４以外の複数であってもよい。

図１０は、変形例１の分離膜エレメント２０が４枚の膜リーフ１１及び４枚の原水スペーサ１３で構成される場合の４枚の原水スペーサ１３を展開して示している。縦方向の線の位置が仕切り２３の位置を表している。図１０の左側が集水管２１に近い側であり、仕切り２３が密に配置されている。これらの原水スペーサ１３の端部は、集水管２１の周りに好ましくは略９０度の等間隔で配置される。４枚の膜リーフ１１及び原水スペーサ１３を９０度の間隔で配置すると、分離膜エレメント２０の外形がより円形に近づき、集水管２１の中心に対する外径の偏心も極小化できる。「外径の偏心」とは、分離膜エレメント２０に外接する円の中心と集水管２１の中心との間のずれの大きさを意味する。

仕切り２３の位置は、例えば、極座標の方程式ｒ＝ｒ₀＋ｂθ（ｒ₀：集水管２１の半径、ｂ：定数）によって表される曲線を用いて決定することができる。図１１に示すように、この曲線は、周回ごとに半径が等間隔で増加する渦巻きであり、アルキメデスの螺旋と呼ばれる。展開状態の原水スペーサ１３における仕切り２３の位置は、膜リーフ１１及び原水スペーサ１３を集水管２１に巻きつけた状態における仕切り２３の位置までの螺旋の弧長を算出することによって決定できる。ある巻き角度θ（単位：ラジアン）までの弧長は、微小角度Δθにおける弧長ｒ・Δθ（ｒとΔθとの積）を巻き角度θまで積算することによって決定できる。定数ｂは、ｂ＝ｗ／（２π）で表される。定数ｂは、シート状部材の厚さの合計が周回ごとの半径の増加長さｗに一致するように決定される。図１０の例では、シート状部材の厚さの合計は、４枚の膜リーフ１１の合計厚さと４枚の原水スペーサ１３の合計厚さとの合計である。

（分離膜エレメントを用いた水道水の浄化）
例えば、分離膜エレメント１０を用いて水道水を浄化することができる。第１端面１０ｐを通じて第１原水流路１５に水道水を流入させる。第２端面１０ｑを通じて第１原水流路１５から水道水を排出させる。水道水の流れ方向を１８０度反転させ、第２端面１０ｑを通じて、第１原水流路１５から排出された水道水を第２原水流路１６に流入させる。第１端面１０ｐを通じて第２原水流路１６から水道水を排出させる。透過水は、飲用水としての使用に適している。高回収率運転を行えば、濃縮されて排出され、廃棄される水道水の量も少なく、経済的である。

分離膜エレメント１０が逆浸透膜エレメント又はナノフィルトレーション膜エレメントであるとき、水道水からヒ素、重金属などの原子レベルの有害物質も大幅に除去できる。その結果、より安全な飲用水が得られる。

分離膜エレメント２０を用いた場合、第１端面１０ｐを通じて第２原水流路１６から水道水を流出させ、水道水の流れ方向を再度１８０度反転させ、第１端面１０ｑを通じて、第２原水流路１６から排出された水道水を第３原水流路１６に流入させる。第２端面１０ｑを通じて第３原水流路１７から水道水を排出させる。透過水は、飲用水としての使用に適している。高回収率運転を行えば、濃縮された水道水の量も少なく、経済的である。

本開示の分離膜エレメントは、設置スペースが限られる場所、例えば、家庭での水道水の浄化に特に適している。

分離膜エレメント１０及び２０に代えて、分離膜エレメント３０も使用可能である。

以上の通り、本開示の分離膜エレメント１０（，２０，３０）によれば、高い回収率にて原水を処理することができる。「高い回収率」は、例えば、５０％以上であり、６０％以上であってもよい。回収率の上限値は特に限定されない。例えば、分離膜エレメント１０（，２０，３０）を用いて高い回収率で水道水を処理することによって、廃棄される水の量を減らすことができる。その結果、水資源を大幅に節約することが可能である。

（分離膜モジュールの実施形態）
図１２は、本開示の一実施形態に係る分離膜モジュールの断面を示している。分離膜モジュール１００は、ケーシング４２及び分離膜エレメント１０を備えている。分離膜エレメント１０は、ケーシング４２の内部に配置されている。ケーシング４２の内部空間によって連絡流路２７が形成されている。このような構成によれば、ケーシング４２を再利用しやすく、分離膜エレメント１０のみを交換することによって、分離膜モジュール１００の性能を簡単に回復させることができる。

ケーシング４２は、原水入口４２ａ、原水出口４２ｂ及び透過水出口４２ｃを有する。原水入口４２ａは、分離膜エレメント１０の第１端面１０ｐにおける第１原水流路１５の入口に連通している。原水出口４２ｂは、分離膜エレメント１０の第１端面１０ｐにおける第２原水流路１６の出口に連通している。原水出口４２ｂは、分離膜エレメント１０における最も下流側の原水流路の出口に連通していてもよい。透過水出口４２ｃは、集水管２１に連通している。

分離膜エレメント１０に代えて、分離膜エレメント２０又は３０を用いてもよい。

（浄水器の実施形態）
図１３は、本開示の一実施形態に係る浄水器の正面図である。浄水器２００は、プレフィルタ９０、活性炭フィルタ９１及び分離膜フィルタ９２を備えている。プレフィルタ９０、活性炭フィルタ９１及び分離膜フィルタ９２は、原水がこの順番で流れるように互いに接続されている。プレフィルタ９０は、例えば、不織布によって構成されている繊維フィルタである。分離膜フィルタ９２には、本開示の分離膜エレメント１０，２０又は３０が使用されうる。このような構成によれば、高い回収率及び高い透過水量にて、清浄な水を生成することができる。

原水は、例えば、水道水である。本実施形態の浄水器２００は、高い回収率及び高い透過水量を達成できるので、水資源の乏しい国及び地域での使用に特に適している。

本実施形態の浄水器２００によれば、水道水は、プレフィルタ９０に通されて浄化される。プレフィルタ９０によって浄化された水道水が分離膜フィルタ９２によってさらに浄化される。詳細には、水道水は、プレフィルタ９０に通されて浄化され、プレフィルタ９０によって浄化された水道水がさらに活性炭フィルタ９１に通されて浄化される。プレフィルタ９０及び活性炭フィルタ９１によって浄化された水道水が分離膜フィルタ９２によってさらに浄化される。浄水器２００によって生成された透過水は、極めて清浄であり、飲用水としての使用に適している。

プレフィルタ９０、活性炭フィルタ９１及び分離膜フィルタ９２は、それぞれ、ケーシングに収められており、浄水器２００の本体部９３に取り付けられている。プレフィルタ９０、活性炭フィルタ９１及び分離膜フィルタ９２は、本体部９３から取り外し可能であり、必要に応じて交換される。

本開示の分離膜エレメントは、海水の淡水化、純水の製造、水道水の浄化、廃水処理、原油の採掘などの様々な用途に使用されうる。本開示の分離膜エレメントは、コンパクトな設計が要求される用途、例えば、家庭用の浄水器に適している。

１０，２０，３０ 分離膜エレメント
１０ｐ 第１端面
１０ｑ 第２端面
１１ 膜リーフ
１２ 分離膜
１３，１３１ 原水スペーサ
１４ 透過水スペーサ
１５ 第１原水流路
１６ 第２原水流路
１７ 第３原水流路
１８ 第４原水流路
２１ 集水管
２３ 仕切り
２７，３１，３２ 連絡流路
２８，２８１，２８２ カバー
４２ ケーシング
７１ ブロック
８１，８５，８７，８９ 分割エレメント
８３ 外壁部
９０ プレフィルタ
９１ 活性炭フィルタ
９２ 分離膜フィルタ
１００ 分離膜モジュール
２００ 浄水器
２３１ 第１仕切り
２３２ 第２仕切り

Claims (8)

1. 集水管と、前記集水管に巻きつけられた分離膜と、前記集水管の長手方向における前記分離膜の一方の端面である第１端面と、前記集水管の長手方向における前記分離膜の他方の端面である第２端面と、前記第１端面から前記第２端面まで直線状に延びる第１原水流路と、前記第２端面から前記第１端面まで直線状に延びる第２原水流路と、を備えた分離膜エレメントを用いて水道水を浄化する方法であって、
   前記第１端面を通じて前記第１原水流路に前記水道水を流入させることと、
   前記第２端面を通じて前記第１原水流路から前記水道水を排出させることと、
   前記第２端面を通じて、前記第１原水流路から排出された前記水道水を前記第２原水流路に流入させることと、
   を含み、
   前記分離膜エレメントにおいて、前記第１原水流路は、前記集水管の周方向における第１角度の領域を占有する流路であり、前記第２原水流路は、前記集水管の周方向における第２角度の領域を占有する流路であり、前記第１角度は、前記第２角度と異なり、
   前記分離膜エレメントが逆浸透膜エレメント又はナノフィルトレーション膜エレメントである、方法。
2. 前記第２原水流路の流路断面積は、前記第１原水流路の流路断面積よりも小さい、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１原水流路と前記第２原水流路とが仕切りによって仕切られている、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記分離膜エレメントは、前記第１端面から前記第２端面まで直線状に延びる第３原水流路をさらに備え、
   前記第１端面を通じて前記第２原水流路から前記水道水を流出させることと、
   前記第１端面を通じて、前記第２原水流路から排出された前記水道水を前記第３原水流路に流入させることと、
   をさらに含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記分離膜エレメントは、前記第１端面から前記第２端面まで直線状に延びる少なくとも１つの追加の原水流路をさらに備え、
   前記第１端面又は前記第２端面を通じて前記追加の原水流路から前記水道水を流出させることと、
   前記追加の原水流路から流出する際に前記水道水が通過した前記第１端面又は前記第２端面を通じて、前記追加の原水流路に隣接するとともに前記追加の原水流路の下流側に位置する別の追加の原水流路に前記水道水を流入させることと、
   をさらに含む、請求項１～３のいずれかに１項に記載の方法。
6. 原水としての前記水道水の量に対する前記水道水から生成される透過水の比率が０．５以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記水道水を繊維フィルタに通すことをさらに含み、
   前記繊維フィルタによって浄化された前記水道水が前記分離膜エレメントによってさらに浄化される、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記繊維フィルタによって浄化された前記水道水を活性炭フィルタに通すことをさらに含み、
   前記繊維フィルタ及び前記活性炭フィルタによって浄化された前記水道水が前記分離膜エレメントによってさらに浄化される、請求項７に記載の方法。

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