JP7302973B2 - スパイラル型膜エレメント及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパイラル型膜エレメント及びその製造方法に関する。

スパイラル型膜エレメントは、海水の淡水化、純水の製造、廃水処理、油田注入水の製造などを目的としたシステムに使用されている。スパイラル型膜エレメントは、例えば、集水管と、集水管に巻きつけられた膜リーフとを備えている。

膜リーフは、スペーサ及び複数の分離膜によって構成されている。複数の分離膜は、袋状の形状を有するように外周部分が接着剤によって封止されている。

特開２００９－０１８２３９号公報

接着剤による封止が不十分である場合、原水流路から透過水流路へと原水がリークし、阻止率が低下する。封止が不十分な製品は、出荷前の検査で発見することができる。ただし、出荷前の検査で発見できないほど極微量のリークが生じていることもある。

本発明は、スパイラル型膜エレメントにおける極微量のリークを防ぐための技術を提供することを目的とする。

本発明は、
集水管と、
前記集水管に巻き付けられた分離膜と、
前記集水管の長手方向と平行な方向における前記分離膜の端面上に設けられた被覆層と、
を備えた、スパイラル型膜エレメントを提供する。

別の側面において、本発明は、
分離膜を集液管に巻き付けることと、
前記集液管の長手方向に平行な方向における前記分離膜の端面上に被覆層を形成することと、
を含む、
スパイラル型膜エレメントの製造方法を提供する。

本発明によれば、スパイラル型膜エレメントにおける極微量のリークを防ぐことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るスパイラル型膜エレメントの展開斜視図である。 図２は、図１に示すスパイラル型膜エレメントの端部の拡大断面図である。 図３は、集水管の周方向における分離膜の端面を示す分離膜エレメントの斜視図である。 図４Ａは、スパイラル型膜エレメントの製造工程を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａに続く製造工程を示す図である。 図４Ｃは、図４Ｂに続く製造工程を示す図である。 図４Ｄは、図４Ｃに続く製造工程を示す図である。

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。本発明は、以下の実施形態に限定されない。

図１は、本発明の一実施形態に係るスパイラル型膜エレメント１０（以下、「分離膜エレメント１０」とも称する）を示している。分離膜エレメント１０は、集水管２１及び積層体２２を備えている。積層体２２は、集水管２１の周囲に配置されている。積層体２２の内部に原水流路と透過水流路とが形成されている。集水管２１は、積層体２２の中心を貫いている。

原水は、積層体２２の一方の端面から分離膜エレメント１０の内部に供給され、集水管２１の長手方向に平行に原水流路を流れる。分離膜エレメント１０において、原水がろ過されて濃縮水と透過水とが生成される。透過水は、集水管２１を通じて外部に導かれる。濃縮水は、積層体２２の他方の端面から分離膜エレメント１０の外部に排出される。

分離膜エレメント１０によって処理（ろ過）されるべき液体としては、水（原水）が挙げられる。本明細書では、簡単のため、液体の代表として「水」の用語を使用する。

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。

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。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。

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。

分離膜エレメント１０は、分離膜１２として、ＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜又はＲＯ膜を有する。ＭＦ膜（Microfiltration membrane）は、０．０５～１０μｍ程度の大きさの微粒子及び微生物を液体から分離することを目的とした膜である。ＵＦ膜（Ultrafiltration membrane）は、ＭＦ膜によって除去することができない大きさの微粒子、及び、１０００～３０００００程度の分子量を有する溶質を液体から分離することを目的とした膜である。ＲＯ膜（Reverse Osmosis membrane）は、逆浸透現象によって水を透過水流路に移行させることによって水と溶質とを分離することを目的とした膜である。ＮＦ膜（Nanofiltration membrane）は、ＲＯ膜の一種であって、Ｎａ⁺及びＣｌ^-のような１価イオンを通し、ＳＯ₄ ^2-のような多価イオンを阻止する。

原水スペーサ１３及び透過水スペーサ１４は、ＰＰＳ、エチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）などの樹脂材料で作られた網状の部材である。

分離膜エレメント１０は、積層体２２を包囲するシェルを備えていてもよい。シェルは、ＦＲＰ（fiber reinforced plastic）によって作られていてもよい。積層体２２の端面を保護するとともに、積層体２２がテレスコピック状に伸張することを防止するために、積層体２２の両側に端面部材が配置されていてもよい。

図２は、分離膜エレメント１０の端部の断面を拡大して示している。本実施形態の分離膜エレメント１０は、被覆層２４をさらに備えている。被覆層２４は、集水管２１の長手方向と平行な方向における分離膜１２の端面１２ｐの上に設けられている。被覆層２４は、原水が透過できない性質を持っており、透過水流路への原水の流入を阻止する。被覆層２４によって、分離膜エレメント１０における極微量のリークを防ぐことができる。

図２に示すように、分離膜エレメント１０の端面は、分離膜１２の端面１２ｐ、接着剤層２６の端面２６ｐ、及び、原水流路の出口１３ｐによって構成されている。原水流路は、膜リーフ１１と膜リーフ１１との間に挟まれた原水スペーサ１３によって確保されている。接着剤層２６は、分離膜１２に袋状の構造を付与するために使用された接着剤の層である。接着剤層２６は、詳細には、１対の分離膜１２の端部同士を接着している。被覆層２４は、分離膜１２の端面１２ｐ及び接着剤層２６の端面２６ｐを被覆している。言い換えれば、被覆層２４は、膜リーフ１１の端面を被覆している。膜リーフ１１の端面は、分離膜１２の端面１２ｐ及び接着剤層２６の端面２６ｐによって構成されている。原水流路の出口１３ｐは、被覆層２４によって被覆されておらず、外部に露出している。分離膜１２の端面を平面視すると、被覆層２４は、螺旋の形状を呈する。分離膜エレメント１０が複数の膜リーフ１１を有するとき、螺旋の形状の複数の被覆層２４が存在しうる。

分離膜エレメント１０における極微量のリークは、分離膜１２と接着剤層２６との間に形成された隙間が原因で起こると考えられる。被覆層２４は、分離膜１２と接着剤層２６とにまたがって設けられているので、リークの原因となる隙間を被覆層２４によって確実に封じることができる。その結果、分離膜エレメント１０における極微量のリークを防ぐことができる。

被覆層２４は、例えば、接着剤層２６を構成する接着剤の組成と異なる組成の樹脂材料で構成されている。接着剤層２６を構成する接着剤は、例えば、ウレタン樹脂接着剤である。被覆層２４を構成する樹脂材料は、例えば、エポキシ樹脂である。ウレタン樹脂接着剤は、流動性が低く保持性が高いので、接着剤層２６の材料として適している。エポキシ樹脂は、流動性が高く浸透性が高いので、被覆層２４の材料として適している。分離膜１２と接着剤層２６との間の微小な隙間に被覆層２４の材料が染み込むことによって、微小な隙間によって引き起こされる微量のリークを防止することができる。本実施形態によれば、各部分に適した材料を選択して採用することができる。

あるいは、被覆層２４は、接着剤層２６を構成する接着剤の組成と同一の組成の樹脂材料（接着剤）によって構成されていてもよい。この場合、コスト低減の効果が見込まれる。

被覆層２４の厚さも特に限定されない。被覆層２４の厚さは、例えば、１～１０００μｍである。被覆層２４の厚さは、マイクロメータによる任意の複数点（例えば５点）での測定値の平均値でありうる。

図３は、集水管２１の周方向における分離膜１２の端面１２ｑを示している。本実施形態において、被覆層２４は、集水管２１の長手方向と平行な方向における分離膜エレメント１０の両端面のそれぞれにのみ設けられている。集水管２１の周方向における分離膜１２の端面１２ｑ（集水管２１の周方向における膜リーフ１１の端面）は外部に露出している。集水管２１の周方向における分離膜１２の端面１２ｑは、通常、シェルによって被覆されているので、原水の流れに晒される可能性は低く、リークの発生箇所となる可能性も低い。一方、集水管２１の周方向における分離膜１２の端面１２ｑから被覆層２４を省略することによって、製造工程を簡素化できる。

後述するように、集水管２１の長手方向と平行な方向における分離膜エレメント１０の両端部にトリミングが施されている場合、リークの原因となる微小な隙間がトリミングによって形成される可能性もある。集水管２１の長手方向と平行な方向における分離膜エレメント１０の両端面のそれぞれに被覆層２４が設けられていると、リークの原因となる微小な隙間がトリミング工程で発生したとしても、そのような微小な隙間を被覆層２４によって確実に封じることができる。

もちろん、集水管２１の周方向における分離膜１２の端面１２ｑの上にも被覆層２４が設けられていてもよい。この場合、集水管２１の周方向における分離膜１２の端面１２ｑがリークの発生箇所となることも防止できる。

次に、図４Ａ～図４Ｄを参照して分離膜エレメント１０の製造方法を説明する。

まず、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、分離膜１２、原水スペーサ１３及び透過水スペーサ１４を集水管２１に巻き付ける。詳細には、図４Ａに示すように、２つに折り畳まれた分離膜１２の間に原水スペーサ１３を配置し、分離膜１２の上に透過水スペーサ１４を配置する。さらに、透過水スペーサ１４の外周部の３辺に接着剤２６ａを塗布する。これにより、分離膜ユニットＵが得られる。接着剤２６ａは、この時点では、未硬化の状態である。図４Ｂに示すように、複数（例えば４つ）の分離膜ユニットＵを集水管２１に巻き付ける。集水管２１に分離膜ユニットＵが巻き付けられたのち、接着剤２６ａが硬化して接着剤層２６が形成されるとともに、袋状の膜リーフ１１が形成される。これにより、集水管２１及び積層体２２を含む組立体が得られる。なお、分離膜ユニットＵを１つのみ集水管２１に巻き付けることもある。

分離膜１２を集水管２１に巻き付けたのち、図４Ｃに示すように、集水管２１の長手方向に平行な方向における分離膜１２の端部１２ｔをトリミングする。言い換えれば、積層体２２の端部をトリミングする。これにより、集水管２１及び積層体２２を含む組立体の端面を平滑に仕上げることができる。トリミングの工程は省略されることもある。

その後、図４Ｄに示すように、集水管２１の長手方向に平行な方向における分離膜１２の端面１２ｐの上にエポキシ樹脂などの樹脂材料２４ａを塗布して被覆層２４を形成する。詳細には、分離膜１２の端面１２ｐ及び接着剤層２６の端面２６ｐの全体を被覆するように被覆層２４を形成する。これにより、本実施形態のスパイラル型膜エレメント１０が得られる。

被覆層２４を形成する方法は特に限定されない。例えば、分離膜１２の端面１２ｐの上に樹脂材料２４ａを塗布することによって被覆層２４を形成することができる。樹脂材料２４ａを塗布する方法としては、印刷法、ディッピング法、スプレー法などが挙げられる。原水流路の出口１３ｐ（図２参照）の幅は比較的広いので、原水流路の出口１３ｐが樹脂材料２４ａによって塞がらないようにすることは容易であり、多くの塗布方法を採用することができる。

例えば、スクリーン２８を用いたスクリーン印刷法によれば、分離膜１２の端面１２ｐ及び接着剤層２６の端面２６ｐの上に正確かつ選択的に被覆層２４を形成できる。

被覆層２４は、分離膜エレメント１０がＮＦ膜エレメント又はＲＯ膜エレメントであるときに特に効果を発揮する。ＮＦ膜エレメント及びＲＯ膜エレメントは、例えば、超純水の製造に使用される。超純水には極微量の不純物も含まれていないことが望ましく、そのためには、極微量のリークも無いことが望ましい。

ＮＦ膜及びＲＯ膜など逆浸透膜の構造も極微量のリークに関与している。ＮＦ膜及びＲＯ膜など逆浸透膜は、支持層とスキン層との積層構造を有する複合分離膜であることが多い。支持層は、不織布とＵＦ層との積層膜でありうる。スキン層は、分離機能を発揮する層であり、典型的には、ポリアミドによって構成されている。

図４Ａを参照して説明したように、接着剤２６ａを塗布したとき、接着剤２６ａは、分離膜１２の不織布に含浸する。不織布への接着剤２６ａの含浸が不十分である場合、微粒子のリークを許容する隙間が分離膜１２と接着剤層２６との間に残る可能性がある。被覆層２４は、そのような微小な隙間を封じる役割を果たす。したがって、複合分離膜を用いたスパイラル型膜エレメントにおいて、被覆層２４による利益を最大限に得られる。

本発明の技術は、スパイラル型膜エレメントに有用である。本発明の技術は、特に、複合分離膜を用いたスパイラル型膜エレメントに有用である。

１０ スパイラル型膜エレメント
１１ 膜リーフ
１２ 分離膜
１２ｐ，１２ｑ 端面
１３ 原水スペーサ
１３ｐ 出口
１４ 透過水スペーサ
２１ 集水管
２１ｈ 貫通孔
２２ 積層体
２４ 被覆層
２４ａ 樹脂材料
２６ 接着剤層
２６ａ 接着剤
２６ｐ 端面
２８ スクリーン

Claims (11)

1. 集液管と、
   前記集液管に巻き付けられた分離膜と、
   前記分離膜に袋状の構造を付与するために使用された接着剤の層と、
   前記集液管の長手方向と平行な方向における前記分離膜の端面上に設けられた被覆層と、
   を備え、
   前記被覆層は、前記分離膜と前記接着剤の層とにまたがって設けられている、スパイラル型膜エレメント。
2. 前記被覆層は、前記接着剤の組成と異なる組成の樹脂材料で構成されている、請求項１に記載のスパイラル型膜エレメント。
3. 前記接着剤がウレタン樹脂接着剤であり、
   前記被覆層を構成する前記樹脂材料がエポキシ樹脂である、請求項２に記載のスパイラル型膜エレメント。
4. 前記集液管の周方向における前記分離膜の端面は外部に露出している、請求項１から３のいずれか１項に記載のスパイラル型膜エレメント。
5. 集液管と、
   前記集液管に巻き付けられた分離膜と、
   前記集液管の長手方向と平行な方向における前記分離膜の端面上に設けられた被覆層と、
   を備え、
   前記集液管の周方向における前記分離膜の端面は外部に露出している、スパイラル型膜エレメント。
6. 前記分離膜がＮＦ膜又はＲＯ膜である、請求項５に記載のスパイラル型膜エレメント。
7. 袋状の構造を有する分離膜を集液管に巻き付けることと、
   前記集液管の長手方向に平行な方向における前記分離膜の端面上に被覆層を形成することと、
   を含み、
   前記被覆層を形成することは、前記被覆層を、前記分離膜と前記袋状の構造を付与するために使用された接着剤の層とにまたがって設けることを含む、
   スパイラル型膜エレメントの製造方法。
8. 前記分離膜を前記集液管に巻き付けたのち、前記集液管の長手方向に平行な方向における前記分離膜の端部をトリミングすることをさらに含む、請求項７に記載のスパイラル型膜エレメントの製造方法。
9. 前記分離膜の端面上及び前記接着剤の層の端面上に樹脂材料を塗布することによって前記被覆層を形成する、請求項７又は８に記載のスパイラル型膜エレメントの製造方法。
10. 分離膜を集液管に巻き付けることと、
    前記集液管の長手方向に平行な方向における前記分離膜の端面上に被覆層を形成することと、
    を含み、
    前記集液管の周方向における前記分離膜の端面は外部に露出している、
    スパイラル型膜エレメントの製造方法。
11. 前記分離膜がＮＦ膜又はＲＯ膜である、請求項１０に記載のスパイラル型膜エレメントの製造方法。

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