JPH0771623B2 - スパイラル型膜エレメント - Google Patents

スパイラル型膜エレメント

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JPH0771623B2
JPH0771623B2 JP60197841A JP19784185A JPH0771623B2 JP H0771623 B2 JPH0771623 B2 JP H0771623B2 JP 60197841 A JP60197841 A JP 60197841A JP 19784185 A JP19784185 A JP 19784185A JP H0771623 B2 JPH0771623 B2 JP H0771623B2
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勝也 江原
燦吉 高橋
稔 黒岩
敬祐 中込
義康 神山
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は種々の液体の濃縮やろ過処理に利用されるス
パイラル型膜エレメントに係り、さらに詳しくは、比較
的低圧下で操作される限外ろ過や精密ろ過にたいするス
パイラル型膜エレメントに関している。
〔発明の背景〕
従来、半透膜を用いて液体の分離や濃縮をなすための液
体分離用膜エレメントには種々のものがある。代表的な
ものがスパイラル型膜エレメントである。これは半透膜
をもつリーフが原水流路材と一緒に、多数の小孔をもつ
中空管のまわりに巻き付けた構造を有している。リーフ
自体は、トリコツト織物のように多孔性でかつ水の流れ
やすい溝をもつ透過水流路材の両面に、半透膜を積層さ
せたものからなつている。
液体分離および濃縮は、原水が原水流路材によつて形成
された原水流路を流れ、半透膜を透過した透過水が透過
水流路材により形成される透過水流路、つまりトリコツ
ト織物の溝を通り、小孔を経由して中空管内部にはい
り、中空管端部から外部に取り出すことでなされてい
る。
このようなスパイラル型膜エレメントにて、透過水が得
られる駆動力は原水と透過水との圧力差によつて生じ
る。圧力差は、通常、逆浸透の場合に20〜60kg/cm2、限
外ろ過にて、3〜5kg/cm2、精密ロ過で1〜3kg/cm2であ
る。リーフはこれらの圧力を外側から加圧されるため、
透過水流路材にはこれを押しつぶす力がかかることにな
る。透過水流路材は、トリコツト織物だけであると簡単
に変形してしまうため、剛直化させて耐えられるように
してある。
剛直化は、一般に、透過水流路材を構成するトリコツト
織物にメラミン樹脂を含浸させることでなされている。
このようなリーフをもつスパイラル型膜エレメントは逆
浸透圧、限外ろ過、精密ろ過などの用途にて広く採用さ
れている。が、限外ろ過や精密ろ過の場合に、通水抵抗
圧損が大きいという問題をもつている。すなわち、この
膜エレメントは1〜2kg/cm2の程度の圧力損失があり、
この圧力損失は逆浸透圧のように高い圧力がかかる場合
に問題を生じないが、限外ろ過や精密ろ過の場合にはこ
れだけの圧力損失を生じると、透過水の水量に大きな影
響をおよぼすばかりか、透過水が透過水流路中に得られ
なくなり、死水域が生じ、透過水が二次汚染されやす
い。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、樹脂を含浸させたトリコツト織物を採
用した透過水流路材を具備するスパイラル型膜エレメン
トにおいて、圧力損失を小さくし膜エレメント効率を高
めることにある。
但し、膜エレメント効率とは、膜自身の性能と膜エレメ
ントに成った場合の性能の比を示すもので下式で表わさ
れる。
〔発明の概要〕 本発明のスパイラル型膜エレメントは透過水流路材を構
成するトリコツト織物を、織糸によつて織物表面に形成
される溝ピツチが0.5〜0.9mmの範囲にあるもので構成し
て、透過水流路の圧力損失を小さくさせて、低圧で操作
される限外ろ過や精密ろ過に採用しても、半透膜の各部
分における透過速度を均一にさせ、透過水流路での液滞
留を最少にさせて、透過量を増大させることができ、か
つ、リーフの軸方向の長さと円周方向の長さの比が0.2
〜0.35の範囲の大きさに形成することによって、リーフ
枚数を増やさないで有効な膜部分の面積を増加させて膜
エレメント効率を向上させるようにしたものである。
本発明のスパイラル型膜エレメントの実施例は以下に添
付図面とともに説明する。
〔発明の実施例〕
このスパイラル型膜エレメントは、第1図に示すよう
に、中空管11、原水流路材12およびリーフ13を具備して
いる。
中空管11は両端を開放されていると共に、周面に多数の
小孔を有している。原水流路材12は多孔性の材料からな
つていて、V字形断面をもつ波板の形態を付与されてい
る。リーフ13は透過水流路材14の両面に半透膜15,16を
積層させ、半透膜の縁部を中空管側を除いて接合されて
いる。
膜エレメントは三枚のリーフ13が端面からみで渦巻を形
成するように原水流路材1と一緒に中空管11のまわりに
巻き付けることによつて構成されている。各リーフは開
放されている縁部を小孔に接続させて中空管11に固定さ
れ、そして反対側縁部及び両端縁部を隣接するリーフの
一方に接着剤17によつて固定し封筒状に構成されてい
る。
本発明によるスパイラル型膜エレメントにおいて、リー
フ13を構成する透過水流路材14は、第2図および第3図
によく示されているように、メラミン樹脂などを含浸さ
せトリコツト織物からなつている。が、トリコツト織物
は、織糸によつて織物表面に形成される溝のピツチPが
0.5〜0.9mmの範囲を具備するように編まれたもので構成
されていて、透過水流路における圧力損失を低減させて
ある。詳しく説明する。
第4図は、原水と透過水の流れおよび圧力分布を示して
いる。図面には中空管11と展開された状態の一枚のリー
フ13とのみを示してある。原水は、矢印aで示すように
原水流路材12によつて形成されかつ中空管11と平行な原
水流路に流入させられ、あるいは矢印bで示すように中
空管11にたいして直角方向から原水流路に流入させられ
て、半透膜15,16を浸透させられる。このとき、原水の
圧力分布曲線は符号21で示すようになり、原水は圧力P1
で膜エレメントにはいると共に、濃縮水となつて圧力P2
でこれから流出する。
半透膜15,16によつて電解質,有機質物質などを除去さ
れて透過水は、透過水流路材14によつて形成された透過
水流路にそつて、つまりトリコツト織物の溝にそつて中
空管11に向かつて流れ、中空管表面にある小孔を通つて
中空管内部に入り、中空管11の端部から外部に取り出さ
れる。
このとき、透過水の圧力分布は、従来の膜エレメントに
おいて曲線22で示すようになり、透過水はリーフの端部
で圧力P3を有し、中空管11に流入するときに圧力P4とな
る。ところが、本発明による膜エレメントでは、透過水
流路の圧力損失がより少ないため、透過水がリーフ13の
端部でより低い圧力P5を有し、透過水の圧力分布が曲線
23で示すように低くなる。このため、透過水が得られる
駆動力、つまり原水の圧力分布曲線21と透過水の圧力分
布曲線23との差圧が従来の膜エレメントにおける曲線21
と曲線22との差圧に比較して大きくなり、その結果透過
量をより大きくさせることができる。
第5図はこれをうらづけるもので、本発明による透過水
流路材をもつ膜エレメントと従来の透過水流路材をもつ
それとの透過性能の差異の計算結果を示している。図に
おいて、直線25は従来の透過水流路材をもつ膜エレメン
トの透過量を示しており、そして曲線26は本発明による
透過水流路材16を具備する膜エレメントの透過量を示し
ている。本発明による膜エレメントは、これらを比較す
ることによつて、透過量が従来の膜エレメントよりも増
大しており、とくに限外ろ過や精密ろ過にて採用される
操作圧力1〜5kg/cm2の範囲にて10〜20%も増大してお
り、透過水流路における圧力損失が低減させられている
ことは明らかである。
計算は、等しい面積の多数の部分にリーフを分割し、各
部分における原水圧力、透過水圧力および透過水量を逐
次計算して、最終的にエレメントから得られる全透過水
量を算出することによつてなされている。透過水量は、
α・A・ΔPの式によつて求められている。この式にお
いて、αはm3/h(kg/cm2)m2であらわされる半透膜の性
能、Aは面積、ΔPは原水と透過水との圧力差である。
計算に際して、原水および透過水の圧力は原水および透
過水が流れる各流路材の通水抵抗を実際に測定すること
によつて求め、半透膜の性能をしめす値αに実際の結果
を用いて行つているため、信頼性がかなり高いものとな
つている。
次表は計算された透過水量(m3/h)と実測されたそれと
の間の相関関係を示している。これは、各サンプルごと
に、透過水量を実測すると共に、透過水量を計算によつ
て求め、実測値と計算値との比で示してある。計算値が
±10%程度の精度で得られていることが明らかである。
なお、計算および実測は溝巾が0.32mmの透過水流路材を
もつ膜エレメントでもつてなされている。
また、第5図には、各操作圧力にたいする最適な透過水
流路材溝巾の計算結果を、曲線27で示してある。
リーフを形成する半透膜は、圧力をうけると、たわんで
透過水流路材の溝にめり込み、透過水の流れをわるくさ
せる。このため、たわみ量を算出することで、透過水流
路材の透過水量の大きさを知ることができる。半透膜の
たわみ量δは、圧力Pと溝巾dとにたいして、δ∝P・
d4の関係にある。20,40および60kg/cm2の圧力下で従来
の透過水流路材によつて生じるたわみ量と同じになるた
わみ量になる透過水流路材溝巾を1,3および5kg/cm2の各
操作圧力ごとに計算すると、次表のようになる。
また、第6図は操作圧力ごとの透過水流路材の溝巾と透
過水量との関係を示している。図において、縦軸は従来
の膜エレメントとの透過量にたいする本発明による透過
水流路材を具備する膜エレメントにより得られる透過量
の比であり、横軸は透過水流路材の溝巾である。曲線31
〜33は圧力1,3および5kg/cm2についての結果をそれぞれ
あらわしている。本発明によれば、操作圧力が1〜5kg/
cm2の範囲において、透過水流路材の溝巾が0.5〜0.9mm
の範囲にあるときのみに、透過水量を増大させることが
できることが明らかである。なお、第5図の曲線26にお
ける各圧力における溝巾は、これの最大値を採用してあ
る。
さらに、本発明の膜エレメントにおいて、リーフ13が0.
5〜0.9mmの範囲にある溝ピツチPをもつトリコツト織物
によつてで構成されていることに加えて、さらにリーフ
が縦横比、つまり第4図における軸方向の長さLと円周
方向の長さWとの比を0.2〜0.35の範囲にあるように形
成されることによつて、透過水流路における圧力損失を
さらに改善させることができる。
第7図は、リーフ巾の影響を説明するもので、軸方向の
長さをL=1000mmと一定としたとき、円周方向の巾の長
さWに対して膜エレメント効率ηの変化を検討したもの
である。巾の長さWが増加すると透過水流動抵抗が増大
してエレメント効率が低下する。図において黒丸●は従
来品のエレメント効率η、黒三角▲は従来品のリーフ枚
数を示す。この従来品の縦横比は約0.42(420mm/1000m
m)になっている。ここでリーフの巾の長さWを短かく
するとエレメント効率は増加するが、或る値より更に短
かくなると全体の膜面積が小さくなるので、その分リー
フ枚数を増やさないと所要の膜面積が取れなくなる。し
かしリーフ枚数を増やすと、各リーフの縁部接着部分
(接着部の巾は通常50mm)が増加して有効な膜部分の比
率が低下し、モジュール当りの有効膜面積が低下する。
図において、W=0.2m以下ではエレメント効率が低下
し、更にリーフ巾Wを短かくするとリーフ枚数が増加
し、製造が困難になってくる。従来品では8枚のリーフ
を設置しているが、リーフ巾W=0.2mで約20枚、それ以
下では急増する。このため、通常の集水管で構造上取り
付け可能な最大枚数は20枚である。そのときのリーフ巾
はW=0.2m(縦横比=0.2)となり、エレメント効率は
ほぼ最大になる。
また、エレメント効率は従来品で約η=0.45,これより
エレメント効率を高める(約+10%程度)にはW=0.35
m(縦横比=0.35)程度とすればよいことが判る。
したがって、上記のようにリーフの縦横比を0.2〜0.35
とすることによってエレメント効率を高めることがで
き、製造も容易となる。
このようなリーフを具備している膜エレメントは、第4
図にしたがつて説明すれば、リーフ端部における透過水
の圧力P6がより低くなり、透過水の圧力分布が曲線25で
示すように圧力分布曲線22,23よりも低くなり、駆動力
をより大きくさせ、透過量をより大きくさせ、透過水流
路における圧力損失を低減させることができる。
第5図において、この膜エレメントの透過量は曲線28で
示してある。これは、リーフの縦横比が0.27の場合であ
る。透過水量は前述の実施例よりもさらに高くなり、こ
のような縦横比をもたない透過水流路材を具備する従来
の膜エレメントに比較して、30〜60%も改善され、透過
水流路における圧力損失がいちじるしく低減させられて
いることが明らかである。また、第6図の曲線34は、3k
g/cm2の操作圧力における、0.27の縦横比をもつリーフ
を採用した膜エレメントの透過水量比であつて、透過水
流路材の溝巾を改善したものに比較して、透過水量をよ
り増大させることができることを示している。
〔発明の効果〕 本発明のスパイラル型膜エレメントは、以上説明したよ
うに、透過水流路材を構成するトリコツト織物が織り糸
によつて織物表面に形成される溝ピツチを0.5.mm〜0.9m
mの範囲にさせられたものからなつていて、かつ、リー
フの縦横比を0.2〜0.35の範囲に形成されているので、
透過水流路における圧力損失が小さくなり、逆浸透圧の
場合のみならず、低圧で操作される限外ろ過や精密ろ過
に採用しても、透過速度が半導膜の各部分において均一
になり、透過水流路での液滞留が最少になり、透過量を
増大させ膜エレメント効率を高めることができるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明のスパイラル型膜エレメントの一実施例を
示していて、第1図は斜視図、第2図は透過水流路材を
構成するトリコツト織物の一部分の拡大図、第3図は第
2図III−III線にそうトリコツト織物の断面を模型的に
示す図、第4図は作動状態を示す説明図、第5図は操作
圧力と透過水量との関係および操作圧力と透過水流路材
の最適溝巾との関係を示す図、第6図は操作圧力ごとの
透過量と溝巾との関係を示す図、第7図はリーフ巾の関
係を示す図である。 11……中空管、12……原水流路材、13……リーフ、14…
…透過水流路材、15,16……半導膜。 !
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江原 勝也 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 燦吉 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 黒岩 稔 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 中込 敬祐 大阪府茨木市下穂積1丁目1番2号 日東 電気工業株式会社内 (72)発明者 神山 義康 大阪府茨木市下穂積1丁目1番2号 日東 電気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭54−17383(JP,A) 特開 昭60−19001(JP,A) 特開 昭60−34702(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多数の小孔をもつ中空管と中空管を中心に
    してこれのまわりに巻き付けられたリーフを有し、該リ
    ーフが半透膜、原水流路材および樹脂を含浸させたトリ
    コット織物からなる透過水流路材の積層物から構成され
    ているスパイラル型膜エレメントにおいて、上記リーフ
    が、織糸によって織物表面に形成される溝ピッチを0.5
    〜0.9mmの範囲に形成されたトリコット織物で、かつ軸
    方向の長さと円周方向の長さとの比が0.2〜0.35の範囲
    に形成されてなることを特徴としているスパイラル型膜
    エレメント。
JP60197841A 1985-09-09 1985-09-09 スパイラル型膜エレメント Expired - Fee Related JPH0771623B2 (ja)

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