JP7443761B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、中空糸膜モジュールに関する。
例えば、海水淡水化等の逆浸透処理用の大型プラントにおいて、プラントをコンパクト化する方法の１つとしては、逆浸透膜モジュールの圧力容器の長さを長くし、その中に収容される中空糸膜エレメントの数を多くすることで、逆浸透膜モジュール当たりの中空糸膜の比率を高める（圧力容器の比率を低下させる）ことが考えられる。これにより、逆浸透膜モジュール当たりの膜面積が増加するため、所定の処理量に対して必要なプラントへのモジュール本数を少なくすることが可能となる。
例えば、特許文献１（特表平９－５１１４４７号公報）、特許文献２（特表平７－５００２８１号公報）および非特許文献１（DuPont社 Permasep，"The Hollow-Fiber Cartridge- Development and Commercialization of an Entirely New Reverse Osmosis Devise/Technology" Technical Paper, 1997）には、圧力容器内に複数の中空糸膜エレメントを収容し、それぞれの中空糸膜エレメントを接続してなる逆浸透膜モジュールが開示されている。
DuPont社 Permasep，"The Hollow-Fiber Cartridge- Development and Commercialization of an Entirely New Reverse Osmosis Devise/Technology" Technical Paper, 1997
上記の先行技術文献に開示された複数の中空糸膜エレメントを備える逆浸透膜モジュールにおいては、圧力容器の内壁と各中空糸膜モジュールとの間が一部でシールされている。そして、フィード液（海水等）が中空糸膜モジュールに供給され、最初の中空糸膜モジュールを通過して濃縮されたフィード液（濃縮液）も次段の中空糸膜エレメントに供給される。
しかし、２段目以降の中空糸膜エレメントには、濃縮されたフィード液が供給されるため、得られる透過水の量が次第に減少し、逆浸透膜モジュール全体の処理効率（造水効率）が低下してしまうという問題がある。このため、逆浸透膜モジュール全体の処理効率を向上させる観点から、複数の中空糸膜エレメントの全てに濃縮されていない（フレッシュな）フィード液が供給されることが望ましい。
本発明は、上記課題に鑑み、複数の中空糸膜エレメントを備える中空糸膜モジュールにおいて、全体の処理効率を向上させることを目的とする。
（１） 圧力容器、
前記圧力容器内に直列に配置された複数の中空糸膜エレメント、および、
前記複数の中空糸膜エレメントを連結するコネクター
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記圧力容器は、
長手方向の一端側に設けられたフィード液の供給ポートと、
長手方向の他端側に設けられたフィード液の排出ポートと、
透過水の回収ポートと、を含み、
前記複数の中空糸膜エレメントの各々は、
複数の中空糸膜と、
前記複数の中空糸膜エレメントの長手方向に設けられた二重芯管と、を含み、
前記二重芯管は、多孔分配管と、前記多孔分配管の内部に配置された内管と、を有し、
前記多孔分配管の内壁と前記内管の外壁とによって形成される外流路は、前記供給ポートおよび前記排出ポートに連通しており、
前記内管の内壁によって形成される内流路は、前記回収ポートに連通しており、
前記コネクターは、互いに連通していない第１流路および第２流路を含み、
前記複数の中空糸膜エレメントの間において、
前記複数の中空糸膜エレメントの前記外流路同士は前記第１流路を介して接続され、
前記複数の中空糸膜エレメントの前記内流路同士は前記第２流路を介して接続され、かつ、前記複数の中空糸膜の中空部と前記内流路も前記第２流路を介して連通している、
中空糸膜モジュール。
前記圧力容器内に直列に配置された複数の中空糸膜エレメント、および、
前記複数の中空糸膜エレメントを連結するコネクター
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記圧力容器は、
長手方向の一端側に設けられたフィード液の供給ポートと、
長手方向の他端側に設けられたフィード液の排出ポートと、
透過水の回収ポートと、を含み、
前記複数の中空糸膜エレメントの各々は、
複数の中空糸膜と、
前記複数の中空糸膜エレメントの長手方向に設けられた二重芯管と、を含み、
前記二重芯管は、多孔分配管と、前記多孔分配管の内部に配置された内管と、を有し、
前記多孔分配管の内壁と前記内管の外壁とによって形成される外流路は、前記供給ポートおよび前記排出ポートに連通しており、
前記内管の内壁によって形成される内流路は、前記回収ポートに連通しており、
前記コネクターは、互いに連通していない第１流路および第２流路を含み、
前記複数の中空糸膜エレメントの間において、
前記複数の中空糸膜エレメントの前記外流路同士は前記第１流路を介して接続され、
前記複数の中空糸膜エレメントの前記内流路同士は前記第２流路を介して接続され、かつ、前記複数の中空糸膜の中空部と前記内流路も前記第２流路を介して連通している、
中空糸膜モジュール。
（２） 前記複数の中空糸膜エレメントの間において、前記圧力容器の内壁の内側に長手方向に連通する空隙を有している、（１）に記載の中空糸膜モジュール。
（３） 前記第２流路は、前記内流路を接続するための主流路と、前記中空糸膜エレメントの前記中空部と前記主流路とを連通させる分岐流路と、を有する、（１）または（２）に記載の中空糸膜モジュール。
（４） 前記中空糸膜エレメントが円柱状の形状を有し、１０～２８ｃｍの外径を有し、１０００～２０００ｍｍの全長を有する、（１）～（３）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（５） 前記複数の中空糸膜エレメントは、複数の中空糸膜が前記二重芯管の周りに螺旋状に巻回されてなる中空糸膜巻上げ体を含む、（１）～（４）のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
本発明によれば、複数の中空糸膜エレメントを備える中空糸膜モジュールにおいて、全体の処理効率を向上させることができる。
以下、本発明の中空糸膜モジュールの一例について図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
＜中空糸膜モジュール＞
図１および図２を参照して、本実施形態の中空糸膜モジュールは、
圧力容器１、
圧力容器１内に直列に配置された複数の中空糸膜エレメント４、および、
複数の中空糸膜エレメント４を連結するコネクター７を備える。
図１および図２を参照して、本実施形態の中空糸膜モジュールは、
圧力容器１、
圧力容器１内に直列に配置された複数の中空糸膜エレメント４、および、
複数の中空糸膜エレメント４を連結するコネクター７を備える。
（圧力容器）
圧力容器１は、
長手方向の一端側に設けられたフィード液の供給ポート１０ａと、
長手方向の他端側に設けられたフィード液（濃縮されたフィード液：濃縮液）の排出ポート１０ｂと、
透過水の回収ポート１１と、を含む。
圧力容器１は、
長手方向の一端側に設けられたフィード液の供給ポート１０ａと、
長手方向の他端側に設けられたフィード液（濃縮されたフィード液：濃縮液）の排出ポート１０ｂと、
透過水の回収ポート１１と、を含む。
なお、図１において、供給ポート１０ａは、圧力容器１を構成する壁部材１３に設けられており、排出ポート１０ｂおよび回収ポート１１は、圧力容器を構成する別の壁部材１４に設けられている。複数の中空糸膜エレメント４は、２つの壁部材１３，１４の間に直列に配置されている。
（中空糸膜エレメント）
複数の中空糸膜エレメント４の各々は、
複数の中空糸膜４１と、
複数の中空糸膜エレメント４の長手方向に設けられた二重芯管２と、を含む。
複数の中空糸膜エレメント４の各々は、
複数の中空糸膜４１と、
複数の中空糸膜エレメント４の長手方向に設けられた二重芯管２と、を含む。
二重芯管２は、多孔分配管２１と、多孔分配管２１の内部に配置された内管２２と、を有する。
多孔分配管２１の内壁と内管２２の外壁とによって形成される外流路２１ａは、供給ポート１０ａおよび排出ポート１０ｂに連通している。
内管２２の内壁によって形成される内流路２２ａは、回収ポート１１に連通している。
多孔分配管２１の内壁と内管２２の外壁とによって形成される外流路２１ａは、供給ポート１０ａおよび排出ポート１０ｂに連通している。
内管２２の内壁によって形成される内流路２２ａは、回収ポート１１に連通している。
１つの圧力容器１内に収納される中空糸膜エレメント４の数は２つ以上であり、特に限定されないが、好ましくは３つ以上である。
複数の中空糸膜４１は、中空糸膜エレメント４内に配置された二重芯管２の周囲に配置される。多孔分配管２１および複数の中空糸膜４１は、それらの両端で樹脂壁６によって液密に固定されている。
なお、複数の中空糸膜４１の各々は少なくとも一方の端部（好ましくは両端）に開口を有する。
なお、複数の中空糸膜４１の各々は少なくとも一方の端部（好ましくは両端）に開口を有する。
多孔分配管２１は、複数の孔２１ｂを有する管状体である。多孔分配管２１により、例えば、供給ポート１０ａから中空糸膜モジュール内に供給されたフィード液は、外流路２１ａおよび孔２１ｂを介して、中空糸膜の外側４２へ分配される。
なお、フィード液とは、逆浸透処理、正浸透処理等の膜処理の処理対象液であり、水を含む液体であれば特に限定されず、溶液および懸濁液のいずれであってもよい。フィード液としては、例えば、海水、河川水、汽水、排水などが挙げられる。
多孔分配管２１において、孔２１ｂは、放射状に各方向に設けられていることが好ましい。なお、多孔分配管２１は、中空糸膜エレメント４の略中心に位置させることが好ましい。
多孔分配管２１の径は大きすぎると、中空糸膜モジュール内の中空糸膜が占める領域が減少し、結果として中空糸膜エレメント４または中空糸膜モジュールの膜面積が減少するため容積あたりの透水量が低下することがある。また、多孔分配管の径が小さすぎると、供給流体が多孔分配管内を流動する際に圧力損失が大きくなり、結果として中空糸膜にかかる有効差圧が小さくなり処理効率が低下することがある。また、強度が低下して、供給流体が中空糸膜層を流れる際に受ける中空糸膜の張力により多孔分配管が破損する場合がある。これらの観点から、中空糸膜エレメント４の断面積に対して多孔分配管の断面積（内管の断面積を除く）の占める面積の割合は、４～２０％が好ましい。
内管２２は、多孔分配管２１の内部において、中空糸膜エレメント４の長手方向に設けられた配管である。なお、内管２２は、必ずしも中空糸膜エレメント４の長手方向に平行である必要はなく、中空糸膜エレメント４を長手方向に通過するような配管であればよい。
図１では、回収ポート１１の反対側の内管２２の一端（供給ポート１０ａ側）は、プラグ６１によって封止されている。ただし、供給ポート１０ａ側にも回収ポート１１が設けられていてもよい。
図１では、回収ポート１１の反対側の内管２２の一端（供給ポート１０ａ側）は、プラグ６１によって封止されている。ただし、供給ポート１０ａ側にも回収ポート１１が設けられていてもよい。
本実施形態で用いられる中空糸膜を構成する半透膜としては、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜）、正浸透膜（ＦＯ膜）、ナノろ過膜（ＮＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜である。なお、半透膜として逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜を用いる場合、フィード液の圧力は、好ましくは０．１～１０．０ＭＰａであり、より好ましくは０．５～９．０ＭＰａである。
通常、ＲＯ膜およびＦＯ膜の孔径は約２ｎｍ以下であり、ＵＦ膜の孔径は約２～１００ｎｍである。ＮＦ膜は、ＲＯ膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、ＮＦ膜の孔径は約１～２ｎｍである。半透膜としてＲＯ膜、ＦＯ膜またはＮＦ膜を用いる場合、ＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜の塩除去率は好ましくは９０％以上である。
半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびポリビニルアルコール系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。
セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。
ポリビニルアルコール系樹脂は、好ましくは架橋ポリビニルアルコール樹脂である。
中空糸膜としては、単層構造および同一または異なる素材からなる複合構造の膜が挙げられる。単層構造の膜は、中空糸膜の膜厚方向の構造均質性が高いことが好ましい。中空糸膜の膜厚方向の構造均質性の指標としては、例えば、上述した中空糸膜のラマン値が所定値以上の範囲にあることや、倍率５０００倍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて中空糸膜の横断面を膜厚方向に向かって連続的に観察した際に構造の変化が少ないことが挙げられる。
中空糸膜の外径は、逆浸透処理、正浸透処理等の膜処理に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、１００～３００μｍである。ただし、本実施形態において、中空糸膜には、内径が１ｍｍ以上の比較的大きい内径を有する中空糸状（チューブラー形状と呼ばれることもある）の半透膜も含まれる。
中空糸膜の中空率は、逆浸透処理、正浸透処理等の膜処理に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、１５～４５％である。中空率が上記範囲より小さいと、中空部の流動圧損が大きくなり、所望の透過水量が得られない可能性がある。また、中空率が上記範囲より大きいと、浸透処理の際に十分な耐圧性を確保できない可能性がある。なお、中空率（％）は式：[中空率（％）＝（内径／外径）２×１００］により求めることができる。
なお、中空糸膜エレメントは、スパイラル型の平膜を用いたスパイラルエレメントと比べて、エレメント当たりの膜面積が大きい。このため、中空糸膜は、同じ透水量を得る際に単位膜面積あたりの処理量が極めて少なくて良く、スパイラル型に比べてフィード液によって生じる膜面の汚れを減少でき、膜の洗浄までの運転時間を長くすることができる。さらに、モジュール内の偏流が生じにくいため、浸透効率を高めることができる点で有利である。
複数の中空糸膜は、多孔分配管の周りに中空糸膜または中空糸膜の束を螺旋状に巻上げることによって、中空糸膜が半径方向に積層されることにより形成された中空糸膜巻上げ体であることが好ましい。中空糸膜巻上げ体では、中空糸膜は交差状に配置される場合もある。一般的に、交差配置を取ることにより、中空糸膜の交差部に空隙が規則的に形成される。この規則的な空隙が存在するため、中空糸膜の外側を流れる流体中の非溶解成分や粒子成分等が、中空糸膜間に捕捉されることが少なく、圧力損失の増大が生じにくくなる。
中空糸膜巻上げ体は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、特許４４１２４８６号公報、特許４２７７１４７号公報、特許３５９１６１８号公報、特許３００８８８６号公報などに記載されているように、中空糸膜を４５～９０本またはそれ以上を集めて１つの中空糸膜集合体とし、さらにこの中空糸膜集合体を複数横に並べて偏平な中空糸膜束として、多数の孔を有する有孔分配管にトラバースさせながら巻き付ける。このときの有孔分配管の長さおよび回転速度、中空糸膜束のトラバース速度を調節することによって、巻き上げ体の特定位置の周面上に交差部が形成するように巻き上げる。
また、中空糸膜エレメント４は、例えば、中空糸膜および多孔分配管の両端を樹脂で封止した後、樹脂の一部を切断し中空糸膜の両端部を開口させることで製造できる。例えば、上記の中空糸膜巻上げ体を、長さと交差部の位置を調整し、所定の位置で切断し、この巻き上げ体の両端部を接着した後、両側を切削して、中空糸膜の両端に開口を有する中空糸膜エレメントを作製することができる。
（コネクター）
主に図２～図５を参照して、コネクター７は、互いに連通していない第１流路７１および第２流路７２を含む。
複数の中空糸膜エレメント４の間において、
複数の中空糸膜エレメント４の外流路２１ａ同士は第１流路７１を介して接続され、
複数の中空糸膜エレメント４の内流路２２ａ同士は第２流路７２を介して接続され、かつ、複数の中空糸膜４１の中空部４１ａと内流路２２ａも第２流路７２を介して連通している。
主に図２～図５を参照して、コネクター７は、互いに連通していない第１流路７１および第２流路７２を含む。
複数の中空糸膜エレメント４の間において、
複数の中空糸膜エレメント４の外流路２１ａ同士は第１流路７１を介して接続され、
複数の中空糸膜エレメント４の内流路２２ａ同士は第２流路７２を介して接続され、かつ、複数の中空糸膜４１の中空部４１ａと内流路２２ａも第２流路７２を介して連通している。
図２～図５において、第２流路７２は、内流路２２ａを接続するための主流路（図２における横方向の流路）と、中空糸膜エレメント４の中空部４１ａと主流路とを連通させる分岐流路（図２における孔７３を介する縦方向の流路）と、を有している。
なお、濃縮されたフィード液（濃縮液）が流れる間隙１ａの横断面における断面積、および、供給水が流れる二重芯管の外流路の横断面における断面積は、圧力容器の内径基準断面積のそれぞれ５～１８％および４～１５％が好ましく、より好ましくは、それぞれ７～１５％および６～１２％（例えば１２％と１０％）であり、縮流圧損を発生させない構造である。これにより、透過水量低下を発生させる圧力損失を低く抑えることができる。
図１および図２を参照して、環状部材５は、コネクター７，８の外周面に嵌合されている。環状部材５と中空糸膜エレメント４とは、スナップ５１によって結合されている。
スナップ５１は、中空糸膜エレメント４と環状部材５とを可逆的に装脱着でき、かつ固定可能とするために、中空糸膜エレメント４の端部と環状部材５とを外周面上で嵌め合い状態で固定する部材である。嵌め合い状態とは、スナップ５１の一方の端部の凸部が中空糸膜エレメント４の端部（樹脂壁６の側面）に設けられた凹部に嵌め込まれ、スナップ５１の他方の端部の凸部が環状部材５の側面に設けられた凹部に嵌め込まれた状態であり、外すような力を外部より強制的に加えれば外れるが、自然脱落するような構成ではない（国際公開第２００５／０１１８５０号参照）。
スナップ５１は、中空糸膜エレメント４と環状部材５とを可逆的に装脱着でき、かつ固定可能とするために、中空糸膜エレメント４の端部と環状部材５とを外周面上で嵌め合い状態で固定する部材である。嵌め合い状態とは、スナップ５１の一方の端部の凸部が中空糸膜エレメント４の端部（樹脂壁６の側面）に設けられた凹部に嵌め込まれ、スナップ５１の他方の端部の凸部が環状部材５の側面に設けられた凹部に嵌め込まれた状態であり、外すような力を外部より強制的に加えれば外れるが、自然脱落するような構成ではない（国際公開第２００５／０１１８５０号参照）。
また、環状部材５の凹部５２を介して、中空糸膜４１の中空部４１ａとコネクター７の第２流路７２（孔７３）とが連通されている。
主に図１、図６および図７を参照して、連結された複数の中空糸膜エレメント４の端部においては、コネクター８が用いられる。コネクター８は、複数の中空糸膜エレメント４の二重芯管２同士を接続するコネクター７とは別のコネクターであり、コネクター７の長さ方向の半分に相当する部材である。排出ポート１０ｂ側において、コネクター８の第２流路８２（突出部８４）は回収ポート１１に接続されており、第１流路８１は円環状のプラグ６２で封止されている。供給ポート１０ａ側において、コネクター８の第２流路８２（突出部８４）は、プラグ６１で封止されており、第１流路８１は供給ポート１０ａに連通している。なお、供給ポート１０ａ側のコネクター８は、支持壁６３によって支持されている。
なお、図３、図６および図７を参照して、溝７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａ，８４ａには、Ｏリングが設置され、コネクター７，８と他の部材との接続部がシールされる。
また、図３～図７においては、４つの第１流路７１，８１を有するコネクター７，８が示されているが、第１流路７１，８１の数は３つであってもよく、特に限定されない。
また、図３～図７においては、４つの第１流路７１，８１を有するコネクター７，８が示されているが、第１流路７１，８１の数は３つであってもよく、特に限定されない。
コネクター７，８を構成する材料は特に限定されないが、例えば、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリアセタール(ＰＯＭ)、ポリ塩化ビニル(ＰＶＣ)、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン(ＡＢＳ)樹脂などが挙げられる。
コネクターは、５～４０℃の海水中で使用されるため、部品が膨張すると他部品との嵌合が悪くなり、また収縮するとＯリングシールが効かなくなるため、寸法変化率の小さい材料を用いることが好ましい。このため、寸法変化率に関係する吸水率、線膨張係数などが小さいことが好ましい。なお、既存の汎用樹脂材料の中で寸法変化率が比較的大きいポリアセタール（ＰＯＭ）よりも寸法変化率（吸水率、線膨張係数）が小さい材料を用いることがより好ましい。具体的には、材料の吸水率は０．２２質量％以下であることが好ましい。材料の線膨張係数は１１×１０－５／℃以下であることが好ましい。
また、コネクターは、最大で８年以上使用される場合があり、長期間に亘り強度を有する材料が好ましい。なお、発明者らの検討により長期使用しても破損し難いことが分かっているポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）よりも、強度特性（引張強さ、曲げ強さ）が高い材料であることがより好ましい。具体的には、材料の引張強さは５０ＭＰａ以上であることが好ましい。材料の曲げ強さは７６ＭＰａ以上であることが好ましい。
このような材料としては、特に、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）を好適に用いることができる。
なお、環状部材５の構成材料も、コネクター７，８と同様の材料であることが好ましい。
（中空糸膜モジュールの全体構成等）
複数の中空糸膜エレメント４の間において、圧力容器１の内壁の内側に長手方向に連通する空隙１ａを有している（フィード液が隣り合う中空糸膜エレメント４の間で流通可能である）ことが好ましい。例えば、上述のスナップ５１を用いて中空糸膜エレメント４同士を接続することにより、中空糸膜エレメント４と圧力容器１との間をＯリング等でシールして中空糸膜エレメント４を固定する必要がないため、このような空隙１ａを設けることが可能である。
複数の中空糸膜エレメント４の間において、圧力容器１の内壁の内側に長手方向に連通する空隙１ａを有している（フィード液が隣り合う中空糸膜エレメント４の間で流通可能である）ことが好ましい。例えば、上述のスナップ５１を用いて中空糸膜エレメント４同士を接続することにより、中空糸膜エレメント４と圧力容器１との間をＯリング等でシールして中空糸膜エレメント４を固定する必要がないため、このような空隙１ａを設けることが可能である。
中空糸膜エレメントは、円柱状の形状を有することが好ましい。また、１０～２８ｃｍの外径を有することが好ましい。また、１０００～２０００ｍｍの全長を有することが好ましい。
主に図１を参照して、所定の圧力を有するフィード液は、供給ポート１０ａから供給され、コネクター７の外流路２１ａを介して、孔２１ｂから多孔分配管２１の外側に流出し、中空糸膜４１の外側４２に供給される。中空糸膜４１の外側４２を中空糸膜エレメント４の径方向外側に流れて通過したフィード液は、空隙１ａを介して排出ポート１０ｂから外部に排出される。
これにより、中空糸膜４１の外側４２から中空糸膜４１を透過して中空部４１ａに移動した水（透過水）は、中空糸膜４１の両端の開口から流出する。さらに、透過水は、凹部５２を通過して、コネクター７の孔７３（分岐流路）を介して第２流路７２（主流路）に流れ、内管２２の内流路２２ａに流入する。その後、内流路２２ａ内の透過水は、内管２２が接続された回収ポート１１から外部に取り出される。
これにより、中空糸膜４１の外側４２から中空糸膜４１を透過して中空部４１ａに移動した水（透過水）は、中空糸膜４１の両端の開口から流出する。さらに、透過水は、凹部５２を通過して、コネクター７の孔７３（分岐流路）を介して第２流路７２（主流路）に流れ、内管２２の内流路２２ａに流入する。その後、内流路２２ａ内の透過水は、内管２２が接続された回収ポート１１から外部に取り出される。
なお、図１においては、回収ポート１１は中空糸膜エレメント４の長手方向の一端側に設けられているが、両端に設けられていてもよい。
また、図１において、供給ポート１０ａ、排出ポート１０ｂおよび回収ポート１１は、圧力容器１の両端部に設けられているが、このような形態に限定されず適宜変更することができ、例えば、外周部等に設けられていてもよい。
本実施形態の中空糸膜モジュールによれば、複数の中空糸膜エレメント４の各々に対し、外流路２１ａを介して同じ濃度のフィード液が供給されるため、複数の中空糸膜エレメント４の全てにおいて逆浸透処理、正浸透処理等の膜処理の性能を有効に発揮させることができる。これにより、複数の中空糸膜エレメントを備える中空糸膜モジュールにおいて、全体の処理効率（例えば、造水効率）を向上させることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（圧力損失の測定）
供給水タンク、高圧ポンプ、供給水圧力計、モジュール間差圧計、透過水流量計および濃縮水流量計を設置した試験設備に、中空糸膜モジュールを接続し、以下の測定条件で造水運転させた状態で、モジュール間差圧計にて測定を行った。測定条件は、供給水圧力５．３９ＭＰａ、供給水濃度３．５重量％（塩化ナトリウム）、供給水温度２５℃、回収率３０％で実施した。なお、回収率は、透過水流量計の測定値を透過水と濃縮水の流量値の和で割り算した商を百分率に換算することで、算出した。
供給水タンク、高圧ポンプ、供給水圧力計、モジュール間差圧計、透過水流量計および濃縮水流量計を設置した試験設備に、中空糸膜モジュールを接続し、以下の測定条件で造水運転させた状態で、モジュール間差圧計にて測定を行った。測定条件は、供給水圧力５．３９ＭＰａ、供給水濃度３．５重量％（塩化ナトリウム）、供給水温度２５℃、回収率３０％で実施した。なお、回収率は、透過水流量計の測定値を透過水と濃縮水の流量値の和で割り算した商を百分率に換算することで、算出した。
（透水性能の測定）
上記試験設備に中空糸膜モジュールを接続し、上記の測定条件で造水運転させた状態で、透過水流量計にて測定を行った。
上記試験設備に中空糸膜モジュールを接続し、上記の測定条件で造水運転させた状態で、透過水流量計にて測定を行った。
（実施例１）
実施例１の中空糸膜モジュールは、圧力容器内に、コネクター（４つの第２流路を有する４つ孔型のコネクター：図３～図７参照）を使用して連結された２本の中空糸膜エレメントを収納してなる中空糸膜モジュール（図１参照）である。なお、中空糸膜エレメントは、直径２０ｃｍ、全長１０１６ｍｍであり、図１に示されるような二重芯管を有し、二重芯管の外径は７２ｍｍである。
実施例１の中空糸膜モジュールを用いて、フィード液の圧力が５．３９ＭＰａ、ＮａＣｌ濃度が３．５質量％、温度が２５℃である条件で、フィード液からの透過水の回収率が３０質量％である逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は３５ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は１６ｋＰａであった。
実施例１の中空糸膜モジュールは、圧力容器内に、コネクター（４つの第２流路を有する４つ孔型のコネクター：図３～図７参照）を使用して連結された２本の中空糸膜エレメントを収納してなる中空糸膜モジュール（図１参照）である。なお、中空糸膜エレメントは、直径２０ｃｍ、全長１０１６ｍｍであり、図１に示されるような二重芯管を有し、二重芯管の外径は７２ｍｍである。
実施例１の中空糸膜モジュールを用いて、フィード液の圧力が５．３９ＭＰａ、ＮａＣｌ濃度が３．５質量％、温度が２５℃である条件で、フィード液からの透過水の回収率が３０質量％である逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は３５ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は１６ｋＰａであった。
（実施例２）
実施例２の中空糸膜モジュールは、コネクターとして３つの第２流路を有する３つ孔型のコネクターを使用する点以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールである。
実施例２の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は３５ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は１７ｋＰａであった。
尚、この結果から、コネクターの第２流路の数が変わっても、性能は同程度に維持されることが分かる。
実施例２の中空糸膜モジュールは、コネクターとして３つの第２流路を有する３つ孔型のコネクターを使用する点以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールである。
実施例２の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は３５ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は１７ｋＰａであった。
尚、この結果から、コネクターの第２流路の数が変わっても、性能は同程度に維持されることが分かる。
（実施例３）
実施例３の中空糸膜モジュールは、実施例１と同様の圧力容器内に４本の中空糸膜エレメント（直径：２０ｃｍ、全長：１，０１６ｍｍ）を収納する点以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールである。
実施例３の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は６９ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は１７ｋＰａであった。
尚、この透水性能は実施例１の透水性能の約２倍であり、３本以上の中空糸膜エレメントを連通させた中空糸膜モジュールにおいても十分な性能を発現できることが分かる。
実施例３の中空糸膜モジュールは、実施例１と同様の圧力容器内に４本の中空糸膜エレメント（直径：２０ｃｍ、全長：１，０１６ｍｍ）を収納する点以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールである。
実施例３の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は６９ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は１７ｋＰａであった。
尚、この透水性能は実施例１の透水性能の約２倍であり、３本以上の中空糸膜エレメントを連通させた中空糸膜モジュールにおいても十分な性能を発現できることが分かる。
（実施例４）
実施例４の中空糸膜モジュールは、２本の中空糸膜エレメント（直径：２８ｃｍ、全長：１４００ｍｍ）を収納する点以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールである。
実施例４の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は１０６ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は２１ｋＰａである。
実施例４の中空糸膜モジュールは、２本の中空糸膜エレメント（直径：２８ｃｍ、全長：１４００ｍｍ）を収納する点以外は、実施例１と同様の中空糸膜モジュールである。
実施例４の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は１０６ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は２１ｋＰａである。
（比較例１）
比較例１の中空糸膜モジュールは、実施例４と同様の圧力容器内に、実施例４と同様の２本の中空糸膜エレメントを収納し、従来の連結部材を用いて連結してなる中空糸膜モジュールである。ここで用いた従来の連結部材は、連結される２つの中空糸膜エレメントの二重芯管同士を連通させることはできない。このため、各中空糸膜エレメントで独立にフィード液の供給および排出と透過水の回収が実施されるように、圧力容器のポートも変更されている。
比較例１の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は１０６ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は３７ｋＰａであった。
この結果から、実施例４と比較例１の透水性能が同じである場合、実施例４では比較例１よりも圧力損失が大きく低下することが分かる。このことから、実施例４の中空糸膜モジュールは比較例１よりも効率的に透水性能を発揮できることが分かる。すなわち、実施例４において、フィード液の圧力を上げれば当然、さらに高い透水性能を発揮できる。
比較例１の中空糸膜モジュールは、実施例４と同様の圧力容器内に、実施例４と同様の２本の中空糸膜エレメントを収納し、従来の連結部材を用いて連結してなる中空糸膜モジュールである。ここで用いた従来の連結部材は、連結される２つの中空糸膜エレメントの二重芯管同士を連通させることはできない。このため、各中空糸膜エレメントで独立にフィード液の供給および排出と透過水の回収が実施されるように、圧力容器のポートも変更されている。
比較例１の中空糸膜モジュールを用いて、実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した場合、中空糸膜モジュールの透水性能は１０６ｍ３／ｄａｙであり、圧力損失は３７ｋＰａであった。
この結果から、実施例４と比較例１の透水性能が同じである場合、実施例４では比較例１よりも圧力損失が大きく低下することが分かる。このことから、実施例４の中空糸膜モジュールは比較例１よりも効率的に透水性能を発揮できることが分かる。すなわち、実施例４において、フィード液の圧力を上げれば当然、さらに高い透水性能を発揮できる。
１ 圧力容器、１ａ 空隙、１０ａ 供給ポート、１０ｂ 排出ポート、１１ 回収ポート、１３，１４ 壁部材、２ 二重芯管、２１ 多孔分配管、２１ａ 外流路、２１ｂ 孔、２２ 内管、２２ａ 内流路、４ 中空糸膜エレメント、４１ 中空糸膜、４１ａ 中空部、４２ 中空糸膜の外側、５ 環状部材、５１ スナップ、５２ 凹部、６ 樹脂壁、６１，６２ プラグ、６３ 支持壁、７，８ コネクター、７１，８１ 第１流路、７２，８２ 第２流路、７３，８３ 孔、８４ 突出部、７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａ，８４ａ 溝。
Claims (8)
- 圧力容器、
前記圧力容器内に直列に配置された複数の中空糸膜エレメント、および、
前記複数の中空糸膜エレメントを連結するコネクター
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記圧力容器は、
長手方向の一端側に設けられたフィード液の供給ポートと、
長手方向の他端側に設けられたフィード液の排出ポートと、
透過水の回収ポートと、を含み、
前記複数の中空糸膜エレメントの各々は、
複数の中空糸膜と、
前記複数の中空糸膜エレメントの長手方向に設けられた二重芯管と、を含み、
前記二重芯管は、多孔分配管と、前記多孔分配管の内部に配置された内管と、を有し、
前記多孔分配管の内壁と前記内管の外壁とによって形成される外流路は、前記供給ポートおよび前記排出ポートに連通しており、
前記内管の内壁によって形成される内流路は、前記回収ポートに連通しており、
前記コネクターは、互いに連通していない第１流路および第２流路を含み、
前記複数の中空糸膜エレメントの間において、
前記複数の中空糸膜エレメントの前記外流路同士は前記第１流路を介して接続され、
前記複数の中空糸膜エレメントの前記内流路同士は前記第２流路を介して接続され、かつ、前記複数の中空糸膜の中空部は前記内流路と前記第２流路を介して連通されている、
中空糸膜モジュール。 - 前記複数の中空糸膜エレメントの間において、前記圧力容器の内壁の内側に長手方向に連通する空隙を有している、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
- 前記第２流路は、前記内流路を接続するための主流路と、前記中空糸膜エレメントの前記中空部と前記主流路とを連通させる分岐流路と、を有する、請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール。
- 前記中空糸膜エレメントが円柱状の形状を有し、１０～２８ｃｍの外径を有し、１０００～２０００ｍｍの全長を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
- 前記複数の中空糸膜エレメントは、複数の中空糸膜が前記二重芯管の周りに螺旋状に巻回されてなる中空糸膜巻上げ体を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
- 請求項１～５のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールに含まれる複数の中空糸膜エレメントを連結するためのコネクター。
- 前記コネクターを構成する材料は、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリアセタール(ＰＯＭ)、ポリ塩化ビニル(ＰＶＣ)、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン(ＡＢＳ)樹脂からなる群から選択される1種以上である、請求項６に記載のコネクター。
- 前記材料の線膨張係数は、１１×１０－５／℃以下である、請求項７に記載のコネクター。
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