JPH02111424A - スパイラル型膜モジュール並びにその製造法及び使用法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、スパイラル型膜モジュール及びそれを用いて
の流体供給物流れの分離法に関する。

ｌ豆Ω豊１ スパイラル型膜モジュールは、高圧逆浸透圧法による物
質の分離例えば海水からの純水の製造、又は例えば酪農
場において低圧限外濾過による酪農場流出液の分離に対
して単独で又は組み合わせてしばしば用いられている０
円筒状外部ハウジングシェルに適合したスパイラル型膜
モジュールは、該シェル内に密封された複数の孔又は溝
を有する中心管（これは、透過物収集手段として働く）
と、該中心管の周囲に巻きつけられた１つ以上の膜薄片
とからなる。膜薄片は典型的には所望の分離な生せしめ
るように選択された一対の扁平シート状膜からなり、そ
してこの膜は透過物収集材料として使用され且つ透過物
収集流路を形成するトリコットの如き開放多孔質型メツ
シュ材料によって分離されている。膜薄片は、一般には
、網様供給物流路スペーサー（これはバイパスとしても
働くことができる）によって分離されている。

操作に当って、分離しようとする供給物溶液は、円筒体
の一端に導入されて供給物流路及びバイパススペーサー
に沿って軸方向に直接流れ、そしてシェルの他端から濃
厚物流れが抜き取られる。膜シートを通る透過物は、透
過物収集手段を経て中心管に向けて半径方向に流れ、そ
して透過物流出口において中心管から抜き出される。か
くして、供給物流れは膜薄片の表面を横切って軸方向に
進み、これに対して透過物流れは中心管に向って半径方
向に進む。

膜外被体又は薄片は、各端における周辺半径方向接着帯
域及び外周辺に向った軸方向接着帯域を形成するために
接着剤によって外縁で一緒に接着され、そして内周辺は
中心管にある流路と透過物に関して連通状態にある。・
スパイラル型膜モジュール及びそれらの構造は周知であ
り、例えば米国特許第３．３６７．５０５号及び他の特
許に例示されている。

浸透圧分離のための特定のスパイラル型膜モジュールは
、１９７７年７月５日付は発行の米国特許第４，０３３
，８７８号に記載されている。この特許には、膜外被体
に１つの流れの蛇行型流れを誘発するために中心管及び
個々の膜薄片の両方において流れ阻止技術が用いられて
いるところの膜モジュールが記載されている。

スパイラル型膜モジュール特に限外濾過に対して例えば
ホエー（浮渣）の分離のために酪農場で使用する低圧モ
ジュールは、使用期間後に一般には苛性、洗浄剤、塩素
又はそれらの組み合わせの如き化学薬品洗浄溶液の使用
によって洗浄操作を受け、しかる後にきれいな水で濯が
れる。かかる洗浄操作間に、膜表面の汚染層の除去によ
って透過物流束が有意義に増大する。洗浄操作間での流
束の大きい増大は、より高い流束のために透過物流路内
に過度に高い圧力を引き起こす。透過物流路内での圧力
増大は膜薄片の各部分にしわを発生させ、そしてその帯
域は高い圧力及び高い流束条件下において脆弱及び亀裂
のために機能できなくなる可能性がある。これらのしわ
発生及び漏出問題は、３００ｐｓｉ以上の高い圧力及び
低い流束において通常使用される逆浸透圧膜モジールで
はなく、特に高流束限外濾過スパイラル型膜モジュール
に制限される。それ故に、限外濾過の如き低圧操作用の
スパイラル型膜モジュールであって、しかも操作時に又
は特にスパイラル型膜モジュールの洗浄サイクル間にし
わが発生したり又は漏出する傾向が減少したものを提供
するのが望ましい。

凡豆辺見１ 本発明は、改良された高流束低圧用スパイラル型膜モジ
ュール並びにかかる膜モジュールを製造及び使用する方
法に関するものである。特に、本発明は、高い透過物側
背圧のために膜薄片がしわを発生したり又は漏出する傾
向が減少したスパイラル型膜モジュールに関するもので
ある。

ここに本発明において、一端にある供給物流れの導入用
流入口、他端にある濃縮物流れの取出用流出口、及び透
過物流れを抜き出すための透過物流出口を含む改良され
たスパイラル型膜モジュールが見い出された。また、こ
のモジュールは、内側膜及び外側膜よりなる１つ以上の
膜薄片と多孔質透過物流路スペーサーとを含む、この１
つ以上の薄片は、中心透過物管の周囲に巻き込まれる。

中心透過物管は、透過物流れが薄片から中心透過物管に
流れるための開放通路を有する。薄片は、その１つ以上
に半径方向透過物流路を形成し、そして薄片の１つ以上
は薄片の再分化によって薄片内に形成された２つ以上の
別個の半径方向透過物流れ区画室を含む、再分化された
薄片は、中心管及び透過物出口への透過物の別個の直接
的な非蛇行型半径方向流れを可能にし、これによって透
過物の軸方向流れ及びこれによる圧力分配（これは薄片
の出口端において高い透過物側圧を引き起こす）が減少
され又は防止される。圧力の低下は、モジュールの作動
間に又は特に高滝束スパイラル型膜モジュールの洗浄サ
イクル間における接着帯域継目の破損又はしわの発生を
有意義に減少させる。

本発明の改良された高流束スパイラル型膜モジュールは
、膜薄片の１つ以上好ましくは全部を再分化することに
よって、例えば他の接着帯域又は接着ラインを用いて膜
モジュールの薄片を２つ以上の別個の透過物流れ区画室
に再分化することによって製造される。一般には、再分
化は、薄片を２つの別個の等しい透過物流れ区画室に再
分化する追加的な半径方向接着帯域又は接着ラインを用
いることによって行われる。２つよりも多くの透過物区
画室を形成することができるが、しかしながら、追加的
な接着ライン又は接着帯域は有効な膜面積の損失をもた
らす。

本発明の改良膜モジュールは、先に記載したように使用
に当って膜薄片の各々内でしかし別個の透過物区画室に
おいて透過物の半径方向流れを可能にし、従って、スパ
イラル型膜モジュールの１つのすみ部分に発生される高
圧はモジュールの外側低プロセス圧端部に運ばれない。

区画室間の仕切は透過物の軸方向流れを制限し、これに
よってより好ましい透過物側圧分配が生ぜしめられる。

この改善された圧力分配は、しわ発生の減少及び継目破
損による漏出の減少をもたらす。これらの改善は、透過
物流路を２つ以上の区画室に分割した結果である。この
スパイラル型膜モジュールは、各薄片の高圧供給端部か
らの透過物が薄片の低圧濃厚物端部からあふれ出ないよ
うにし、それ故に透過圧推進力の低下による生産性の損
失を排除する。また、これは、従来技術の高流束モジュ
ールにおけるようにしわ発生、逆透過及び接着継目の破
損を減少させることによってスパイラル状膜の寿命を向
上させる。加えて、この改良スパイラル型モジュールに
対しては、洗浄サイクル間に問題を引き起こす高流束及
び高圧に付随した困難を伴わずに通常の洗浄技術を施こ
すことができる。

高流束スパイラル型膜モジュールの洗浄後に、透過物出
口に隣接した薄片の低圧外側かとにしわが発見されそし
て場合によっては膜の漏出又は接着帯域の漏出が発見さ
れることが分かった。この漏出について更に研究すると
、所定のかど部分における透過物流路の透過物側圧は、
逆透過と一緒にしわ及び破損をもたらす供給物流れの供
給物側圧よりも大きいことが予想外にも発見された。高
流束例えば１００　ｉｔ　／ｍ”／ｈｒ以上の流束並び
に用いる供給圧例えば約５０〜１００ｐｓｉの供給圧及
びモジュール当り供給圧よりも２０〜３０ｐｓ＋低い流
出圧のために、高流束低圧操作モジュールの洗浄サイク
ルにおいてしわや漏出の問題がしばしば生じる。従来の
スパイラル型薄片限外濾過膜モジュール設計は、先膜領
域を出る透過物の背圧がモジュール薄片の低いかど圧端
部で生じるために非効率的であることが分かった。薄片
を少なくとも２つの別個の透過物区画室に分割する追加
的な接着帯域が用いられているところの薄片の透過物側
背圧は、４区画室を横切る圧力差を減少させ且つ元圧透
過物薄片領域の量を減少させる。

流束が約３〜４ガロン以上／ｆｔ”　／日／ｐｓ＋の範
囲であるときに、例えばモジュールを横切る圧力降下が
１５ｐｓｉよりも大きい例えば２０ｐｓｉ以上であると
きに継目破損及びしわの問題が生じる。

また、差圧の減少及びそれに付随する問題は、スパイラ
ル型膜モジュールにおける薄片の数を増加しそしてその
薄片の長さを短くすることによって解決することができ
ることも分かった。また、この解決法は、“１９８７　
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓｏｎ　
Ｍｅｍｂｒａｎｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｐ
ｒｏｃｅｓｓｅｓ　１ｎＴｏｋｙｏ、　Ｊａｐａｎ、Ｊ
ｕｎｅ　８−１２．１９８７”における論文（コセキ・
ヤスオ氏外の論文６−Ｐ２４）によっても注目されてい
る。膜形状を最適化しそして透過物流路を形成する薄片
のスペーサーの抵抗を減少させることによって透過物流
束を向上させた高流束スパイラル状模型限外膜モジュー
ルが開示されている。薄片の直線長さを短かくし又は低
い流れ抵抗性の透過物スペーサーを使用する解決策は有
用であるが、しかしそれは実用的でなく又は経済的に有
益でない０例えば、低い流れ抵抗の透過物流路スペーサ
ーを用いることによって、透過物流束は高い速度になる
。しかしながら、スパイラル型膜モジュールは典型的に
は連続して用いられるので、下流側の配管系が制限を受
ける。更に、薄片の数を減少しそして短かい薄片を使用
することによって生産性の向上を達成することができる
けれども、この解決策も実用的でない。と云うのは、洗
浄サイクル間に膜モジュールの流束が高められ、従って
ポンプがその増加した流束な処理することができず、こ
れによって新たな全系問題が生じるからである。

各スパイラル型膜モジュール薄片の外側低圧かどにおけ
る死透過物領域及び透過物側背圧に対する有効で実用的
でしかも経済的な解決策は、少なくとも１つの他の接着
継目又は接着線を用いることによって各薄片の透過物流
れを２つ以上の別個の半径方向流れ透過部流路に区画化
することによるものである。理論的には、無限数の別個
の透過物流れ区画室を形成させることができるが、しか
し実際にはせいぜい２個又は３個が実用的である。と云
うのは、追加的な継目線の使用は活動膜面積の損失をも
たらすからである。透過物流路の区画化の使用は、透過
物側背圧の問題を完全には排除しない。しかしながら、
それはその問題を有意義に且つ予想外にも軽減し、そし
て本発明の高流束スパイラル型膜モジュールにおいて透
過物側背圧の発生に付随した困難を回避する。

透過物流路の別々の区画室は透過物流れ阻止手段によっ
て任意の態様で形成することができるが、しかし典型的
にはスパイラル型膜モジュールの外側半径方向及び軸方
向接着継目において用いられるような薄い接着線が使用
される。使用される典型的な接着剤は、ポリウレタン、
エポキシ樹脂又は接着性熱硬化型樹脂及びシーラントで
ある。膜の選択は、望まれる特定の分離に左右される。

用いられる膜材料は、ポリビニレンジフルオリドの如き
フルオロカーボン膜、ポリスルホン、セルロース又は他
の天然若しくは合成重合体型膜からなってよい。一般に
は、市販スパイラル型膜モジュールは、直径的４〜１２
ｉｎで長さ約３０〜４８＋ｎの間で変動し、そしてモジ
ュールハウジングと同じ幅を有する１つ以上の膜薄片を
使用している。また、多数のモジュールを同じハウジン
グ内に配置することもできる。

本発明を単なる例示の目的である種の具体例に関して説
明したけれども、当業者には例示の具体例に対して本発
明の精神から逸脱することなく幾多の変更、修正、付加
及び改善をなすことができよう。

バ跡ｊし２ａ述 第１図は従来技術の現状を例示するものであって、ここ
では膜薄片１２を有する従来技術のスパイラル型モジュ
ールＩＯは、半径方向透過物流路を構成する透過物トリ
コットスペーサー１６によって隔離された一対の高流束
膜１２からなっている。薄片は、ロール形態では供給ス
ペーサー１４によって分離されている。薄片のための円
筒状ハウジングは、点線で示されている。半径方向透過
物流れは、透過物通過孔を有する中央透過物収集管に向
けられた矢印によって示されており、しかして供給物流
れは膜の各表面を軸方向に横切って膜の薄片内に導入さ
れそしてモジュールの他端から濃厚物流れが取り出され
る。図示されるように、薄片は、透過物流路を形成する
ように外周様に沿って陰影領域で示される周辺軸１８と
２つの半径方向接着帯域又は継目２０とによって密封外
被体を形成している。外周低圧濃厚物流出薄片かとにあ
る点線は、高い透過物背圧による非生産性膜領域２２の
内部を示す。この領域は透過物側圧が供給物側圧を越え
そして逆の透過が起こり得るような漏出やしわ発生を受
けやすいことが分った。これは、実際には、供給物入口
と濃厚物出口との間の圧力差によって引き起される膜の
死領域を表わす。

第２図は、本発明の改良された膜モジュールな持つスパ
イラル型膜モジュールの断面図である。

このモジュールは、薄片を２つのほぼ等しい半径方向透
過物流れ区画室２６および２８に再分化し且つ区画化す
る陰影領域で示された追加的な軸方向接着継目又は接着
帯域２４を含む。半径方向透過物流れは、矢印によって
示される。透過物流れは、中央透過物収集管から直接抜
き取られる。使用される接着剤は、軸方向及び半径方向
周辺帯域において用いる接着剤又は密封手段と同じ又は
異なるものであってよい。

別個の透過物流れ区画室の各々の非生産性領域３０及び
３２は各区画室において点線として示されており、これ
に対して各区画室における別個の半径方向透過物流れは
方向流れの矢印によって示されている。透過物流れは先
に記載したと同じ方向にあるが、しかし別個の区画室で
は透過物側背圧による非生産性領域は別個の区画室の使
用によって有意義に且つ予想外に減少されることに注目
すべきである。例えば、第１図の従来技術のスパイラル
型膜モジュールにおける死領域又は非生産性領域２２は
薄片の１つの外側かどの約２０〜３０％を占める場合が
あり、これに対して本発明の改良スパイラル型膜モジュ
ールの設計では死領域は各々の別個の区画室２６および
２８の死領域を合計しても約ｌＯ％よりも少ない、もち
ろん、もし多数の区画室を用いるならば、死領域は更に
減少されるがしかし活動膜領域の量も減少される６図示
されるように、２つの別個の区画室への再分化は、はぼ
等しい面積及び等しい寸法を持つ等しい区画室を形成す
る。

第１図の従来技術の膜及び第２図の本発明のスパイラル
型モジュール膜の圧力分布（プロファイル）に及ぼす著
しい影響は第３および４図にグラフで示されている。こ
れらのグラフは標準市販スパイラル型膜モジュールの圧
力分布を表わしているが、この各々は５０ｉｎの膜薄片
、４ミルの高さ及び４ｇｆｄ／ｐｓｉ　　（１２０’Ｆ
）の透過度からなっている。また、この圧力分布は、軸
方向接着継目からの距！！ｉ　（ｆｔ）に対する透過物
側圧（ｐｓ　ｉ）を測定するために取られている。特に
第３図に示されるように、透過物側圧はグラフの例示領
域における出口側圧を越えることが分る。第２図に例示
される如く膜薄片の再分化を用いる第４図では、グラフ
の陰影領域は有意義に減少されそして第一区画室２６に
おける圧力差は約３９〜３５ｐｓｉの範囲であり、これ
に対して第二区画室２８では約２５〜２０ｐｓｉの範囲
内であり、その結果として各区画室のかどにある死領域
又は非生産領域は、スパイラル型薄片膜モジュールにお
いて透過物側背圧に関連する問題に対して実際的且つ経
済的な解決策を提供する薄片の区画化によって減少され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のスパイラル型膜モジュールの一部切
除した断面図であって、膜薄片は巻出した平面図で示さ
れている。 第２図は第１図と同様のスパイラル型膜モジュールの一
部切除した断面図であるが、本発明に従ったものである
。 第３図は、第１図の従来技術のスパイラル型膜モジュー
ルの圧力分布を表わすグラフである。 第４図は、本発明に従った第２図のスパイラル型膜モジ
ュールの圧力分布を表わすグラフである。 区画の浄の（内容に変更なし） 、１１Ｙ ＦＩＧ、１

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）一端及び他端を有するハウジング、（ｂ）
   ハウジング内に配置された一端及び他端を有する中心管
   であって、透過物の収集のための通路手段によって特徴
   づけられる中心管、（ｃ）中心管の周囲にスパイラル状
   に巻き込んだ膜薄片手段であって、単一の透過物半径方
   向流れ区画室を形成するために第一及び第二膜シートと
   該膜シート間にある多孔質シートとからなり、膜の外側
   軸方向縁及び半径方向側部縁は膜薄片を形成するように
   密封されしかも内側軸方向縁は透過物収集通路と透過物
   流れに関して連通状態になっていることからなる膜薄片
   手段、 （ｄ）流路手段を形成するためにスパイラル型膜薄片手
   段間にあるスペーサー手段、 （ｅ）ハウジングの一端で加圧供給物流れを導入するの
   を可能にししかも流路手段において軸方向に流すための
   供給物流入手段、 （ｆ）ハウジングの他端において濃厚物流れを抜き出す
   のを可能にするための濃厚物流出手段、及び （ｇ）中心管から透過物流れを抜き出すのを可能にする
   ための透過物流出手段、 を含む高流束スパイラル型膜モジュールにおいて、 透過物の軸方向流れを制限し且つ薄片手段の外側低プロ
   セス圧かど部分において好適な透過物側圧力分配を可能
   にするために各区画室の透過物を中心管の通路手段に別
   個に半径方向に流すことができるように２つ以上の別個
   の密封した半径方向透過物流れ区画室からなる膜薄片手
   段を含むことを特徴とする高流束スパイラル型膜モジュ
   ール。
2. （２）膜薄片手段が２つの別個のほぼ等しい寸法の透過
   物流れ区画室を含む特許請求の範囲第１項記載のモジュ
   ール。
3. （３）膜薄片手段が、単一区画室を２つ以上の別個の透
   過物流れ区画室に分割するための半径方向に伸びる接着
   帯域を含む特許請求の範囲第１項記載のモジュール。
4. （４）透過物流出手段が中心管の他端にのみある特許請
   求の範囲第１項記載のモジュール。
5. （５）膜薄片手段の膜シートが１００ｌ／膜面積ｍ＾２
   ／ｈｒ以上の流束を有する特許請求の範囲第１項記載の
   モジュール。
6. （６）高流束スパイラル型限外ろ過膜モジュールによっ
   て流体供給物流れを透過物流れと濃厚物流れとに分離す
   るに当り、 （ａ）分離しようとする供給物流れをスパイラル型膜薄
   片の一端にその表面を半径方向に横切って流し、 （ｂ）膜薄片の他端において軸方向に流れる濃厚物流れ
   を抜き出し、 （ｃ）膜薄片の単一の密封区画室内で透過物流れを半径
   方向に流して中心管透過物収集手段に送り、そして （ｄ）中心管透過物収集手段から透過物流れを抜き出す
   、 ことからなる方法において、 膜薄片内の２つ以上の別個の密封した透過物流れ区画室
   内で透過物流れを透過物収集手段へと半径方向に流して
   膜薄片手段の膜領域を減少させ、この場合にその領域に
   おける透過物側背圧は供給物流れの圧力よりも大きくし
   これによって膜のしわ発生及び膜継目の漏出を減少させ
   ることを特徴とする流体供給流れの分離法。
7. （７）透過物側背圧膜領域が膜薄片手段の膜領域の約１
   ０％以下を占める特許請求の範囲第６項記載の方法。
8. （８）膜薄片区画室を横切る圧力差が約１５ｐｓｉより
   も大きい特許請求の範囲第６項記載の方法。
9. （９）膜薄片手段の流束が５０ｌ／膜面積ｍ＾２／ｈｒ
   以上である特許請求の範囲第６項記載の方法。
10. （１０）膜モジュールへの供給物流れの流入圧が約２０
    ０ｐｓｉ以下である特許請求の範囲第６項記載の方法。
11. （１１）透過物流れ区画室を垂直の半径方向接着帯域に
    よって２つのほぼ等しい別個の区画室に再分化し、そし
    て各々の別個の区画室において透過物流れを半径方向に
    流して中心管透過物収集手段に送ることからなる特許請
    求の範囲第６項記載の方法。
12. （１２）供給物流れが酪農場流れからなる特許請求の範
    囲第６項記載の方法。