JPH05131122A

JPH05131122A - スパイラル型気体透過膜エレメント

Info

Publication number: JPH05131122A
Application number: JP29441791A
Authority: JP
Inventors: Masahide Taniguchi; 雅英谷口; Hiroyuki Yamamura; 弘之山村; Kazuhiko Nishimura; 和彦西村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1991-11-11
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【構成】封筒状の疎水性気体透過膜をネット状流路材と
ともに多孔質中心管のまわりに巻囲してなるスパイラル
型気体透過膜エレメントにおいて、原液供給口を該エレ
メントの一側面と外周面に設けるとともに、該エレメン
ト内の脱気液出口を原液供給口の他方の側面に設けた気
体透過膜エレメント。【効果】本発明において、側面のみでなく外周面より原
液を供給することによって、従来の脱気膜モジュールで
問題とされていた異常滞留部による水質低下を防止する
ことができた。さらに、脱気液出口を中心管から一部の
みにすることにより、また、外周面の原液供給口の開口
率を調節することにより、脱気性能の低下も防止するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、疎水性気体透過膜を用
いたスパイラル型気体透過膜エレメントに関するもので
あり、さらに詳しくは、水中の溶存気体を除去するため
の疎水性気体透過膜を用いたスパイラル型脱気膜エレメ
ントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、水中には酸素，窒素，二酸化炭
素などの気体が溶存しているが、水処理を行うにあたっ
てこれら溶存気体が悪影響を及ぼす場合が少なくはな
い。例えば、水の循環ラインにおいては、水中の溶存酸
素が配管の接液内面の腐食を促進する場合があり、ま
た、超純水の製造ラインにおいては、溶存二酸化炭素が
超純水の水質を低下させる原因になり、場合に応じて薬
品添加や真空方式による脱気処理が行われている。しか
し、薬品添加処理による脱気は、薬品コストの問題，残
存薬品成分の問題などがあり、真空脱気の場合も装置及
び運転コスト面での制約があり、広い意味での実用化に
適した方法とはいえなかった。

【０００３】これらの方法の他に、最近、気体透過機能
を有する疎水性膜を用いて水中の溶存気体を除去すると
いう脱気方法が実用化され始めている。（実開昭57- 35
795号公報，特開昭62-273095 号公報）この方法は、シ
リコーン等を素材とする、気体の透過機能を有し、水を
透過させない性質を持った膜の表面または裏面に被処理
溶液を流し、反対面を減圧状態にすることにより、被処
理溶液中の溶存気体のみを膜透過除去し、脱気するとい
うものである。本方法によると、従来の薬品添加法にみ
られた薬品残存成分のような問題もなく、真空脱気法等
と比較しても装置が簡単となり、運転コストも軽減され
るという長所が認められている。

【０００４】脱気膜として多く用いられるものは、平膜
形式の疎水性気体透過膜であり、通常、スパイラルモジ
ュールという形式にして用いられている。従来のスパイ
ラル型脱気膜モジュールは、図１１に示すように被処理
原液をモジュールの一側面のみより供給するいわゆるＩ
型と呼ばれるものである。Ｉ型モジュールの場合、供給
された原液は、多孔質中心管と平行に流れ、徐々に脱気
された後、供給口と反対の側面より脱気液として出てい
く。この方式においては、被脱気液がモジュールの一側
面から他側面へ流れるため必然的に膜に接している距離
が十分にあり、それにより被脱気液が十分に脱気される
という特徴がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題】しかしながらＩ型モジ
ュールの場合、図１１に示したように、その構造上、圧
力容器とスパイラル型膜エレメントの間に隙間９が必ず
存在し、該隙間が流れの極めて悪い異常滞留部となる。
その結果、滞留部において雑菌，藻等が発生しやすくな
る。気体透過膜モジュールにおいては、被脱気液は濾過
されることなく、被脱気液中の溶存気体のみ除去された
状態でそのまま脱気液出口から取り出されるため、脱気
液中にある微粒子やＴＯＣ成分が増加することにより、
大きな水質低下に結びつくことは明かである。このこと
は、特に、超純水製造に応用する場合の水質や食品産業
に応用する場合の衛生性において極めて致命的な問題と
なる。また、容器内に膜を装填する等メンテナンスの際
にも微粒子等がまったく混入しないことは有り得ず、微
粒子等が混入した場合も、それがモジュール内部に滞留
し、極めて長い時間にわたり脱気液の水質に影響を及ぼ
し続ける。このことは、換言すると、定期的な洗浄にお
いても非常に洗浄性が悪く、効率が悪いということに他
ならない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は、封筒状
の疎水性気体透過膜をネット状流路材とともに多孔質中
心管のまわりに巻囲してなるスパイラル型気体透過膜エ
レメントにおいて、原液供給口を該エレメントの一側面
と外周面に設けるとともに、該エレメント内の脱気液出
口を原液供給口の他方の側面に設けたことを特徴とする
スパイラル型気体透過膜エレメントにより基本的に達成
される。

【０００７】

【作用】図１は、本発明のスパイラル型気体透過膜エレ
メントの構造を示す展開図である。本図に示すように、
エレメントは透過側気体流路材１４を内蔵した封筒状の
膜１５を供給側液体流路材１６と共に多孔質中心管１７
のまわりに巻囲した構造を成している。図２は本発明の
スパイラル式脱気膜エレメントを容器に装填した状態の
側面図である。エレメントの側面原液供給口１および外
周面原液供給口２より原液が供給され、膜６を通過する
際、真空ポンプにつながれた気体吸引部４を通して脱気
が行われる。ここで、気体吸引部４は多孔質中心管１７
のどちらの端部でもまた両端に存在しても全く差し支え
ない。この結果、脱気液は他端にある脱気液出口３から
取り出すことができる。これにより、従来のＩ型モジュ
ールで生じる隙間９の部分においては常に供給原液が流
れており、問題となる異常滞留は生じない。従って、モ
ジュール内が汚染されるという問題を解消することがで
きる。ただし、この場合、外周面から供給された原液
は、通常のＩ型エレメントの場合と比べて膜表面に接し
て流れる時間が短くなる可能性がある。とくに、出口近
傍で供給された原液はほとんど膜に接することなく、す
なわち膜による脱気処理が不十分なままで脱気液出口３
より出ていくことが推察される。このため、場合によっ
ては十分な脱気性能が発揮できない可能性が考えられ
る。しかしながら、本発明者らは、Ｉ型モジュールにお
いて生じる異常滞留による水質低下に比べれば、このシ
ョートパスによる脱気性能低下の程度はそれほど問題と
なるものではないことを見出し、本発明のエレメントの
優位性を確認することができた。ここで、外周面原液供
給口２より供給される原液は異常滞留部を解消すること
が目的であるのだから、ショートパスによる性能低下を
防止するという観点からみても、外周面原液供給口２に
供給される原液量は必要最小限にとどめるべきである。
このため、該気体透過膜エレメントとエレメント容器の
空隙δは、その空隙が最も狭い部分において0.5mm ＜δ
＜15mm、または／及びエレメントの外径ｄ₁と容器の内
径ｄ₂の比が0.9 ＜（ｄ₁／ｄ₂）＜0.99にすることが
適当である。このような条件を満足する耐圧容器にスパ
イラル型気体透過膜エレメントを装填した気体透過膜モ
ジュールを用いることによりより効率的な脱気性能が維
持される。

【０００８】さらに、それでも必要とする脱気性能が満
足されず、脱気性能の低下を防止する必要がある場合、
その方法として、２つの方法を実施することも可能であ
る。第１の方法は、図３に示すように中空き円盤状の封
止板８、または図４の展開図に示すように、膜を接着す
ることにより封止部１０を設けることで脱気液出口をあ
る程度閉じることができ、その結果、被脱気液の流れを
変えて、膜への接触時間を長くできるというものであ
る。一側面より供給された原液Ａは、脱気されて出て行
くまでに距離Ｌ_yだけ膜面上を滞留する。また、外周面
原液供給口より供給された原液のうちＣはＬ_yより短い
ものの、ＢはＬ_yより長く、相殺するとそれほど脱気性
能に問題がなくなる。ここで、封止部１０の長さは、長
いほど圧力損失が増大することから必要最小限にとど
め、要求される脱気性能との兼ね合いで決定される必要
がある。また、膜を接着する効果を得るためには（Ｌ₁
／Ｌ）＜0.9 であることが望ましい。一方、本発明のよ
うに、液体から気体を膜分離する場合、液体の殆ど大部
分は膜を透過せず、供給された原液と殆ど同じ体積の液
体が脱気液出口３を通過することになるので、液体から
液体を膜分離する場合と比べて、圧力損失が増大する問
題は深刻であるため、0.5 ＜（Ｌ₁／Ｌ）＜0.9 である
ことがより好ましい。

【０００９】第２の方法は、図５に側面図を示すように
外周部の供給口に多孔フィルムやネット状のものを巻き
付けることによって供給口の外周面部分の開口率を変化
させ、しかも供給原液の流れ方向に沿ってその開口率を
減少させることで膜に接する距離の短い出口近傍より供
給される原液の量を減少させ、脱気性能の低下をある程
度防止することが可能である。さらに、側面部からの原
液供給を増加させるために図６に示すように穴あきＯリ
ング１２を用いることも可能である。図７には、穴あき
Ｏリングの例を示すが、穴の数を調節することにより外
周面に供給される原液の流量を調節することができる。
当然ながら、これらは複合して適用することによって、
より大きな効果を得ることも可能である。

【００１０】また、この気体透過膜モジュールでは、基
本的に透過側を真空ポンプで減圧することにより圧力差
を生じさせ、液中の気体を膜透過、つまり脱気させるも
のであるが、酸素や二酸化炭素などの特定の気体を脱気
したい場合、図８，図９に示すように、窒素等の気体を
搬送気体として中心管の気体吸引部４の反対側にある搬
送気体供給部２０より供給し、それによって透過側の脱
気対象気体の分圧を下げることができる。いわゆるスウ
ィープガス方式と呼ばれるものである。この際、搬送気
体が効率的に流れるようにするため、中心管仕切２１や
透過側整流板２２等により透過側流路に整流作用をもた
せるとよい。

【００１１】ところで、本発明における脱気膜は一般に
複合膜である。複合膜という膜構造は、膜の形状は平膜
形状であり、かつ多孔質支持体層とその上に設けた高分
子均質層または緻密層からなる。多孔質支持体層は、疎
水性気体透過膜の性能に最も影響する高分子均質層の支
持層として高分子均質層の機械的変形を防止する役目を
持っており、かつ、十分な気体透過性能を有しているこ
とが必要である。また、該支持体層の強度をさらに上げ
るために、該支持体層の下にポリエステル織物または不
織布などの補強層を有していることが好ましい。多孔質
支持体層の好ましい高分子としては、ポリエステル、ポ
リアミド、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリメ
タクリレート、ポリ４フッ化エチレン、ポリスルホン、
ポリカーボネートなどが例示されるが、特に好ましく
は、ポリスルホン、またはポリプロピレンである。

【００１２】多孔質支持体層の上に形成される高分子均
質層の具体例としては、シリコーン系樹脂、弗素系樹
脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ４メチルペン
テンなどが一般的であるが、特にこれらに限定されるも
のではない。特に、シリコーン系樹脂は、水中の溶存ガ
ス除去に卓越した性能を発揮することができ、最も好ま
しくは、ポリオルガノシロキサン、架橋型ポリオルガノ
シロキサン、ポリオルガノシロキサン／ポリカーボネー
ト共重合体、ポリオルガノシロキサン／ポリフェニレン
共重合体、ポリオルガノシロキサン／ポリスチレン共重
合体、ポリトリメチルシリルプロピンなどが挙げられ
る。この中でも、機械的強度が高く、酸素透過係数が大
きいという点で、架橋型ポリジメチルシロキサンが最も
好ましい。この架橋型ポリジメチルシロキサンは、製法
によって得られる薄膜の性能が異なり、特開昭60- 2578
03号公報，特開昭62-216624 号公報，特開昭62-216623
号公報に記載されている製法に従って、得られた架橋型
ポリジメチルシロキサンの薄膜が気体透過性に優れ、ピ
ンホールが少ないため好ましい。また、複合膜におい
て、高分子均質膜の材質が、上記架橋型ポリジメチルシ
ロキサンを主成分とするものを、架橋型シリコーン系複
合膜と呼んでいる。

【００１３】架橋型シリコーン系複合膜は、基材膜の表
面に架橋型シリコーン系の薄膜を形成させたことを特徴
とする膜で、表面の状態が一般に非多孔膜と呼ばれるほ
ど緻密な状態を形成しているものが多い。このため、シ
リコーン自体が持つ疎水性に加えて、汚れ成分の吸着を
抑えることができるというすばらしい特性を有してい
る。また、このシリコーン膜の表面にフッ素樹脂系の超
薄膜を形成させて、疎水性をさらに向上させることも可
能である。

【００１４】

【実施例】以下実施例をもって本発明をさらに具体的に
説明する。ただし、本発明はこれにより限定されるもの
ではない。

【００１５】実施例１本発明の例である図１に示したように、ポリエステルタ
フタ／ポリスルホンからなる支持体上に架橋型ポリジメ
チルシロキサンの薄膜を形成させた疎水性気体透過性の
膜１５を縦溝を有するポリエステル織物からなる透過側
流路材１４と、ポリプロピレン製ネットからなる供給側
液体流路材１６とともに、硬質塩化ビニル製の多孔質中
心管１７の周りに巻囲し、被処理液供給口を一側面部と
外周部に設けたスパイラル型疎水性気体透過膜エレメン
ト圧力容器に装填した。ここで、前記気体透過膜エレメ
ントは、外周ネットが均一のものを１種類用い、図３で
図示しているところのエレメントの外径ｄ₁と容器の内
径ｄ₂の比は、ｄ₁／ｄ₂＝0.96、図４に図示している
ところの封筒状膜の中心管側から側面端側までの全長Ｌ
と脱気液出口の長さＬ₁の比は、Ｌ₁／Ｌ＝0.85に調整
した。そして、被処理液流路を通してモジュール内部に
ＴＯＣ値約250ppbの純水を長時間にわたり十分に循環し
た。続いて、同様にしてモジュール内部に水温25℃，比
抵抗18.0ＭΩcm，ＴＯＣ値約 20ppbの超純水（溶存酸素
濃度8ppm）を毎分10リットル流し、他方を水封式真空ポ
ンプによって減圧することにより脱気試験を行った。こ
の際の脱気液のＴＯＣ値の経時変化を測定し、脱気液純
度の安定性を調べた。その結果、脱気液のＴＯＣ値は 3
時間後40ppb ，6 時間後25ppb にまで低下した。

【００１６】比較例１被処理液流路が一側面部のみであるほかは、実施例１と
同条件である従来の疎水性気体透過膜エレメントを用い
て、実施例１と同様の条件で脱気試験を行った。その結
果、脱気液のＴＯＣ値の減少は3 時間後65ppb ，6 時間
後40ppb であった。

【００１７】実施例１，比較例１の結果を図１０に併せ
て示す。

【００１８】

【発明の効果】本発明において、側面のみでなく外周面
より原液を供給することによって、従来の脱気膜モジュ
ールで問題とされていた異常滞留部による水質低下を防
止することができる。さらに、脱気液出口を中心管から
一部のみにすることにより、また、外周面の原液供給口
の開口率を調節することにより、脱気性能の低下も防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスパイラル型気体透過膜エレメン
トの展開図の一例である。

【図２】本発明に係るスパイラル型気体透過膜エレメン
トの側面図の一例である。

【図３】本発明に係る、封止板を用いたスパイラル型気
体透過膜エレメントの側面図の一例である。

【図４】本発明に係る、膜の一部を封止したスパイラル
型気体透過膜エレメントの展開図の一例である。

【図５】本発明に係る、外周面の開口率を変化させたス
パイラル型気体透過膜エレメントの側面図の一例であ
る。

【図６】本発明に係る、穴あきＯリングを装着したスパ
イラル型気体透過膜モジュールの側断面図の一例であ
る。

【図７】穴あきＯリングの一例である。

【図８】本発明に係る、搬送ガスを用いたスパイラル型
気体透過膜モジュールの展開図の一例である。

【図９】本発明に係る、搬送ガスを用いたスパイラル型
気体透過膜モジュールの側面図の一例である。

【図１０】本発明に係る、実施例及び比較例におけるＴ
ＯＣ濃度の経時変化を示すグラフである。

【図１１】従来の代表的なスパイラル型脱気膜モジュー
ルの側面図の一例である。

【符号の説明】

１：側面原液供給口２：外周面原液供給口３：脱気液出口４：気体吸引部５：ブラインシール６：膜７：耐圧容器８：封止板９：隙間１０：封止部１１：流量調節ネット１２：穴あきＯリング１３：穴１４：透過側気体流路材１５：膜１６：供給側液体流路材１７：多孔質中心管１８：供給側膜面１９：透過側膜面２０：搬送気体供給部２１：中心管仕切２２：透過側整流板２３：透過気体流れ２４：原液流れ２５：中心管多孔部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】封筒状の疎水性気体透過膜をネット状流路
材とともに多孔質中心管のまわりに巻囲してなるスパイ
ラル型気体透過膜エレメントにおいて、原液供給口を該
エレメントの一側面と外周面に設けるとともに、該エレ
メント内の脱気液出口を原液供給口の他方の側面に設け
たことを特徴とするスパイラル型気体透過膜エレメン
ト。
【請求項２】該エレメントにおける脱気液の出口が、該
封筒状膜の中心管側から側面端側までの全長をＬ，脱気
液出口の長さをＬ₁としたとき、（Ｌ₁／Ｌ）＜0.9 で
あることを特徴とする請求項１記載のスパイラル型気体
透過膜エレメント。
【請求項３】疎水性気体透過膜が架橋型シリコーン系複
合膜であることを特徴とする請求項１記載のスパイラル
型気体透過膜エレメント。
【請求項４】該気体透過膜エレメントとエレメント容器
の空隙δが、 0.5mm＜δ＜15mmまたは／及びエレメント
の外径ｄ₁と容器の内径ｄ₂の比が 0.9＜（ｄ₁／
ｄ₂）＜0.99である請求項１記載のスパイラル型気体透
過膜エレメントを備えた気体透過膜モジュール。
【請求項５】封筒状の疎水性気体透過膜をネット状流路
材とともに多孔質中心管のまわりに巻囲してなるスパイ
ラル型気体透過膜エレメントにおいて、原液供給口を該
エレメントの一側面と外周面に設けるとともに、該エレ
メント内の脱気液出口を原液供給口の他方の側面に設け
たことを特徴とするスパイラル型気体透過膜エレメント
を用いて、透過側を減圧することによって原液に溶存す
る気体を透過させ原液を脱気する脱気方法。