JPH10277370A

JPH10277370A - スパイラル型膜モジュール

Info

Publication number: JPH10277370A
Application number: JP9202897A
Authority: JP
Inventors: Akira Otani; 明大谷; Yoshihiko Kondo; 善彦近藤; Hideki Hayama; 英樹葉山
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】境膜抵抗の増加を抑制し、効率的な気液接触
操作が可能なスパイラル型膜モジュールを提供する。【解決手段】第１流体流路材の両端に気液接触膜を重
ね合わせ第２流体流路材とともに第２流体供給管１１の
周りにスパイラル状に巻回してスパイラル型膜エレメン
ト１０を形成する。スパイラル型膜エレメント１０は円
筒容器２の内部に収納され、その外周端部が封止部１０
ｂ，１０ｃにより封止される。第１流体は第１流体入口
４から供給され、第２流体供給管１１に平行な第１流体
流路１９を通り第１流体出口６から外部へ取り出され
る。第２流体は第２流体入口１１ａから第２流体供給管
１１に供給され、供給孔１１ｂからスパイラル状の第２
流体流路１８を通り第２流体出口７から外部へ取り出さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体への気体溶解
あるいは液体中からの気体放散といった気液接触操作に
用いられるスパイラル型膜モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、化学工業等の多くの分野では、液
体へのガス溶解あるいは液体からのガス放散といった気
液接触操作が行われている。例えば、ガス溶解として、
医薬品分野等における微生物培養液への酸素供給、電子
産業における超純水ラインへのオゾン溶解、水産業界に
おける養魚への酸素供給、あるいはＮＯ_x（窒素酸化
物）やＳＯ_x（硫黄酸化物）等の排ガス処理が挙げら
れ、また、ガス放散としては、純水製造における脱炭酸
処理が挙げられる。

【０００３】膜を用いた気液接触法に使用される膜モジ
ュールの形態には、従来より充填効率の高さから中空糸
タイプが多く用いられている。中空糸タイプの膜モジュ
ールでは、中空糸膜内に液体を流し、中空糸膜の外側に
気体を流すという使用方法が一般的に行われている。

【０００４】気液接触法において気体と液体間の物質移
動を効率良く行わせるためには、液体側の境膜抵抗を小
さくする必要がある。このため、通常は液体の流速を高
くして境膜抵抗を抑制する方法が講じられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、中空糸
膜モジュールの中空糸膜の内側を液体流路とした場合に
は、液体の流動状態が層流となり、液体の流速が低くな
って境膜抵抗が高くなる。そこで、境膜抵抗を抑制する
ために中空糸膜の内側に高流量の液体を流そうとする
と、中空糸膜モジュールの他の液体流路における圧力損
失が高くなる。その結果、中空糸膜モジュールに液体を
流動させるために高エネルギーが必要となり、不経済と
なる。

【０００６】そこで、境膜抵抗を抑制し、かつ有効膜面
積を増加させるために、中空糸膜の外側を液体流路とし
た中空糸膜モジュールが開発されている。この中空糸膜
モジュールでは中空糸膜の外側を流れる液体の流動状態
を乱流として境膜抵抗を抑制する工夫が成されている。
しかしながら、このような中空糸膜モジュールは、構造
が複雑となり、製造コストが高くなるという問題を有し
ている。

【０００７】本発明の目的は、境膜抵抗の増加を抑制
し、効率的な気液接触操作が可能なスパイラル型膜モジ
ュールを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係るスパイラル型膜モジュールは、連続または独立し
た一対の透過膜を、内側に第１流路材を挟んでかつ外側
に第２流路材を重ねて有孔中空管の外周面にスパイラル
状に巻回することによりスパイラル状膜エレメントが形
成される。スパイラル状膜エレメントは、透過膜間で第
１流路材により形成される第１の流路の内周側の側部お
よび外周側の側部が封止されるとともに、透過膜間で第
２流路材により形成される第２の流路の両端部が封止さ
れる。スパイラル状膜エレメントは筒形容器内に収納さ
れ、筒形容器内でスパイラル状膜エレメントの両端部側
にそれぞれ形成される第１の空間とスパイラル状膜エレ
メントの外周部側に形成される第２の空間とが分離され
る。筒形容器は、両端部にそれぞれ第１流体口を有しか
つ少なくとも一端部および外周部にそれぞれ第２流体口
を有する。第１の空間は第１流体口に連通し、第２の空
間は筒形容器の外周部の第２流体口に連通し、さらに有
孔中空管の内部は筒形容器の少なくとも一端部の第２流
体口に連通している。

【０００９】本発明に係るスパイラル型膜モジュールに
おいて、第１の流体は、筒形容器の一端部の第１流体口
から一方の第１の空間内に供給され、スパイラル状膜エ
レメントの透過膜間に形成された第１の流路を通り他方
の第１の空間に流動し、筒形容器の他端部の第１流体口
から外部に導出される。また、第２の流体は、筒形容器
の少なくとも一端部の第２流体口から有孔中空管の内部
に供給され、スパイラル状膜エレメントの透過膜間に形
成された第２の流路を通り筒形容器内の第２の空間に流
動し、筒形容器の外周部に形成された第２の流体口から
外部に導出される。

【００１０】筒形容器の内部において、第１の流体は有
孔中空管にほぼ平行に流動し、第２の流体は透過膜を介
して第１の流体とほぼ直交する方向にスパイラル状に流
動する。第１の流体と第２の流体とは透過膜を介して接
触し、目的成分の透過作用が行われる。このような第１
の流路および第２の流路の構造により、第１の流体また
は第２の流体の流動状態を乱流状態として透過膜表面の
境膜抵抗を低減することができる。これにより、第１の
流体と第２の流体の間で目的成分の透過作用を効率的に
行うことができる。

【００１１】また、筒形容器内において、第１の流体の
通過領域および第２の流体の通過領域に滞留部が生じる
ことが防止される。これにより、常に清浄な状態で流体
の処理を行うことができる。

【００１２】第１の流路を通過する流体が気体であり、
第２の流路を通過する流体が液体であってもよい。この
場合には、気体は筒形容器の一端部の第１流体口から一
方の第１の空間内に供給され、スパイラル状膜エレメン
トの透過膜間に形成された第１の流路を通り他方の第１
の空間に流動し、筒形容器の他端部の第１流体口から外
部に導出される。また、液体は筒形容器の少なくとも一
端部の第２流体口から有孔中空管の内部に供給され、ス
パイラル状膜エレメントの透過膜間に形成された第２の
流路を通り筒形容器内の第２の空間に流動し、筒形容器
の外周部に形成された第２の流体口から外部に導出され
る。

【００１３】また、第１の流路を通過する流体が液体で
あり、第２の流路を通過する流体が気体であってもよ
い。この場合には、液体は筒形容器の一端部の第１流体
口から一方の第１の空間内に供給され、スパイラル状膜
エレメントの透過膜間に形成された第１の流路を通り他
方の第１の空間に流動し、筒形容器の他端部の第１流体
口から外部に導出される。また、気体は筒形容器の少な
くとも一端部の第２流体口から有孔中空管の内部に供給
され、スパイラル状膜エレメントの透過膜間に形成され
た第２の流路を通り筒形容器内の第２の空間に流動し、
筒形容器の外周部に形成された第２の流体口から外部に
導出される。

【００１４】さらに、上記のスパイラル型膜モジュール
において、透過膜は多孔質膜、微孔質膜および非多孔質
膜の中から選ばれた１または複数の膜からなる単体膜ま
たは複合膜であることが好ましい。さらに、透過膜が、
膜表面にスキン膜または緻密層を有し、スキン層または
緻密層が液体の流路側となるように透過膜が配置される
ことが好ましい。これにより、透過膜の内部の細孔内に
液体が浸入したり、透過膜を液体が通過したりすること
が防止され、気液接触操作を効率良くかつ確実に行うこ
とができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るスパイラル型
膜モジュールの一例を図面を参照して説明する。図１
は、スパイラル型膜モジュールの断面図であり、図２は
図１のスパイラル型膜モジュールの膜エレメントの一部
切欠き斜視図である。さらに、図３は図１中のＡ−Ａ線
断面図である。

【００１６】図１〜図３に示すスパイラル型膜モジュー
ル１は、円筒容器２および円筒容器２の内部に挿入され
たスパイラル型膜エレメント１０を備える。円筒容器２
は円筒状の胴部を有し、胴部の一方端部３に第１流体入
口４が形成され、他方端部５に第１流体出口６が形成さ
れている。また、円筒容器２の胴部には第２流体出口７
が１または複数箇所形成されている。

【００１７】図２において、スパイラル型膜エレメント
１０は、第１流体流路材１３の両面に気液接触膜１４を
重ね合わせ、さらに気液接触膜１４の一方の表面に重ね
合わせた第２流体流路材１５とともに第２流体供給管
（有孔中空管）１１の周りにスパイラル状に巻回するこ
とにより構成されている。スパイラル状に巻回された第
１流体流路材１３の両側の気液接触膜１４の円周側の側
部（第２流体供給管１１に平行な辺）および外周側の側
部は接合または封止されている。

【００１８】第２流体供給管１１は、その一方端が円筒
容器２の一方端部３を貫通して第２流体入口１１ａを構
成し、他方端は樹脂剤１６により密封されている。第２
流体供給管１１の管壁には供給流体流量に対して圧力損
失を低く抑えることができるように複数の供給孔１１ｂ
が形成されている。なお、供給孔１１ｂの代わりにスリ
ットを設けてもよい。

【００１９】スパイラル型膜エレメント１０は、気液接
触膜１４を介して気体と液体とが接触する気液接触部１
０ａと、その両端に位置する封止部１０ｂ，１０ｃとか
ら構成される。気液接触部１０ａにおいて、第２流体流
路材１５が挿入されたスパイラル状の空間が第２流体流
路（第２の流路）１８を構成する。第２流体流路１８
は、第２流体供給管１１の供給孔１１ｂから第２流体供
給管１１の周りにスパイラル状に伸び、円筒容器２の内
壁とスパイラル型膜エレメント１０の外周面との間の空
間（第２の空間）１８ａに達した後、第２流体出口７に
連通する。また、気液接触部１０ａにおいて第１流体流
路材１３が挿入されたスパイラル状の空間が第１流体流
路（第１の流路）１９を構成する。

【００２０】図４は、図１中のスパイラル型膜エレメン
トの封止部の拡大断面図である。封止部１０ｂ，１０ｃ
において、第２流体流路材１５により構成された第２流
体流路１８の両端部および圧力容器２の内側の空間１８
ａの両端部は樹脂剤１７により封止されている。また、
気液接触膜１４の間に第１流体流路材１３により構成さ
れた第１流体流路１９の両端部は開放されている。

【００２１】上記のような構造により、第１流体３０
は、第１流体入口４から円筒容器２の一方端部３の入口
空間（第１の空間）３ａに流入し、スパイラル型膜エレ
メント１０の端面で開放された第１流体流路１９を通り
円筒容器２の他方端部５の出口空間（第１の空間）５ａ
に流動し、第１流体出口６から外部へ導出される。

【００２２】また、第２流体２５は、第２流体入口１１
ａから第２流体供給管１１の内部に供給され、第２流体
供給管１１の管壁の供給孔１１ｂから気液接触膜１４間
に形成された第２流体流路１８を通って第２流体供給管
１１に直交する方向にスパイラル状に流動し、円筒容器
２の第２流体出口７から外方へ導出される。なお、第２
流体出口７を複数設けることによって第２流体流路１８
における第２流体の流れを均一にすることができる。

【００２３】スパイラル型膜エレメント１０の気液接触
部１０ａでは、第２流体供給管１１にほぼ直交する方向
にスパイラル状に流動する第２流体と、第２流体供給管
１１に平行に流動する第１流体とが気液接触膜１４を介
して接触する。これにより、第１流体の目的成分が第２
流体側に透過され、または第２流体の目的成分が第１流
体側へ透過される。

【００２４】本実施例によるスパイラル型膜モジュール
は気液接触法によるガス溶解またはガス放散に好適に用
いられる。そこで、気液接触膜１４としては、疎水性の
多孔質膜や微孔質膜または疎水性の非多孔質膜、あるい
は多孔質膜、微孔質膜、非多孔質膜のうちの複数の膜か
らなる複合膜が用いられる。

【００２５】また、強度を向上させるために、平膜状の
気液接触膜１４の片面に、不織布等の支持体を接着ある
いは融着してもよい。このような支持体を用いる場合に
は、液体に比べ物質移動抵抗の小さい気体に接触する面
側に支持体を接着または融着することが好ましい。

【００２６】さらに、気液接触膜１４が表面に緻密層あ
るいはスキン層を有する非対称膜の場合には、上記と同
様の観点から緻密層あるいはスキン層と反対の面が物質
移動抵抗の小さい気体に接触し、緻密層あるいはスキン
層が形成された面が液体と接触するようにスパイラル型
膜エレメント１０を構成することが好ましい。

【００２７】また、気液接触膜１４の膜素材としては、
ポリエチレンまたはポリプロピレン等のポリオレフィ
ン、ポリフッ化ビニリデンまたはポリ−４−フッ化エチ
レン等のフッ素樹脂、ポリスルホン、ポリエーテルスル
ホン、シリコン樹脂からなる膜あるいはポリオレフィ
ン、フッ素樹脂、ポリスルホン、ポリエーテルスルホ
ン、シリコン樹脂中の複数の素材からなる複合膜を用い
ることができる。

【００２８】さらに、上記の実施例によるスパイラル型
膜エレメント１０では、気液接触膜１４、第１および第
２流体流路材１３，１５からなる素材群（リーフ）が、
１組用いられているが、複数組用いてもよい。複数組の
素材群を第２流体供給管１１の外周に巻回して使用する
ことにより、第２流体流路（例えば液体）側の圧力損失
を低く抑えることができる。このため、液体供給用のポ
ンプとして低圧ポンプを使用でき、かつこれによりスパ
イラル型膜モジュールの容器を耐圧構造とする必要がな
くなる等の利点が生じる。

【００２９】また、第２流体流路１８の両端部を封止す
る樹脂剤１７および第２流体供給管１１の一端部を封止
する樹脂剤１６としては、ポリウレタン樹脂やエポキシ
樹脂等が用いられる。

【００３０】このように、スパイラル型膜エレメント１
０の気液接触部１０ａにおいて、第２流体流路１８は第
２流体供給管１１の周りにスパイラル状に構成され、さ
らに第２流体出口７に連通している。このため、第２流
体は円筒容器２の内部において滞留することなく流動す
る。したがって、従来の一般的なスパイラル型膜モジュ
ールのように、膜エレメントと円筒容器との隙間に処理
液体の滞留部が構成され、この滞留部において微粒子や
ＴＯＣ（有機体炭素）が長期的に増加して液質低下を招
くという問題の発生が防止される。

【００３１】上記のスパイラル型膜モジュール１は、液
体に目的とするガスを溶解するガス溶解または排ガスを
浄化するためのガス吸着等に用いることができる。液相
側に用いる流体（液体）としては、特に限定されるもの
ではないが、気液接触膜１４の膜素材に対し接触角が９
０°以上の大きいものが用いられ、例えば水、有機物の
水溶液、無機物の水溶液、水分散体、体液等が用いられ
る。また、気相側に用いる流体（気体）としては、特に
限定されるものではないが、例えば空気、酸素、オゾ
ン、窒素、一酸化炭素、炭酸ガス、水素、アンモニア、
硫化水素、ＳＯ_x（硫黄酸化物）、ＮＯ_x（窒素酸化
物）、メルカプタン、ハロゲン、ハロゲン化水素、低級
アルコール、低級炭化水素、ハロゲン化炭化水素または
これらの混合物等が用いられる。

【００３２】ガス溶解を行う場合、第２流体入口１１ａ
から液体を供給し、第１流体入口４から気体（ガス）を
供給する。そして、気液接触部１０ａにおいてガスが溶
解したガス溶解液体を第２流体出口７から取り出し、残
余のガスを第１流体出口６から取り出す。

【００３３】また、上記と逆の使用方法も可能である。
すなわち、第２流体入口１１ａから気体（ガス）を供給
し、第１流体入口４から液体を供給する。そして、第２
流体出口７から残余のガスを排出し、第１流体出口６か
らガス溶解液体を取り出すことも可能である。

【００３４】さらに、ガス放散を行う場合、第１流体入
口４あるいは第１流体出口６のいずれかを密栓し、片方
を真空ポンプに接続して気体の流路を減圧する。この状
態で被処理液体を第２流体入口１１ａから供給し、第２
流体出口７から取り出す。これにより、気液接触部１０
ａにおいて被処理液体中の気体成分が、減圧された気体
流路（第１流体流路１９）側に放散される。

【００３５】また、逆の使用方法も可能である。すなわ
ち、第２流体入口１１ａおよび第２流体出口７のいずれ
かを密栓し、片方を真空ポンプに接続して減圧し、さら
に第１流体入口４から被処理液体を供給し、第１流体出
口６から取り出す。これにより、被処理液体から脱気す
ることができる。

【００３６】

【実施例】

［実施例１］日東電工製ＵＦ（限外濾過）モジュールＮ
ＴＵ−３１５０−Ｓ４用の平膜を十分に乾燥させ、この
平膜を用いて図１に示す構造を有する実施例１のスパイ
ラル型膜モジュールを作製した。モジュールサイズは、
胴部の直径が４０ｍｍ、長さが２８０ｍｍであり、有効
膜面積は約０．４ｍ²である。

【００３７】また、比較のために実施例１と同じ材質
で、かつ同等の分画分子量の中空糸膜を十分に乾燥さ
せ、図１に示す円筒容器２と同一のモジュールハウジン
グを用いて比較例１のキャピラリーモジュール（中空糸
膜モジュール）を作製した。モジュールサイズは実施例
１と同様である。モジュールハウジング内には、中空糸
の内径および外径がそれぞれ０．３ｍｍおよび０．５ｍ
ｍのファイバを２６００本収納しており、その有効膜面
積は約０．６ｍ²である。

【００３８】実施例１のスパイラル型膜モジュールと比
較例１のキャピラリーモジュールに対し、それぞれの流
体入口からＮ₂（窒素）バブリングにより酸素濃度が
０．１ｐｐｍ以下まで脱酸素処理された水道水を１Ｌ／
分で供給し、気体入口から空気を１０Ｌ／分で供給し、
それぞれのモジュールの液体出口から導出される水の溶
存酸素濃度を測定した。

【００３９】その結果、実施例１のスパイラル型膜モジ
ュールでは、溶存酸素濃度が４．９ｐｐｍと高く、比較
例１のキャピラリーモジュールでは溶存酸素濃度が３．
７ｐｐｍと低いものであった。この結果より、有効膜面
積で劣る実施例１のスパイラル型膜モジュールの方が酸
素の溶解量が多く、これにより実施例１のスパイラル型
膜モジュールのガス溶解効率が高いことが判明した。

【００４０】［実施例２］また、図１に示すスパイラル
型膜モジュールにおいて、気液接触膜１４の代わりに透
明ポリエチレンシートを用いて実施例２のダミーモジュ
ールを作製した。このモジュールの液体入口から水道水
を０．５〜５Ｌ／分で流入し、水道水中に染料液を少量
混入して水道水の流動状態を目視観察した。この結果、
モジュール内において水道水が滞留する異常滞留部は確
認されなかった。

【００４１】以上のように本発明によるスパイラル型膜
モジュールでは、従来の中空糸膜モジュールに比べ、単
位膜面積当たりのガス移動速度が高く、効率的な気液接
触操作を行うことができる。

【００４２】また、本発明のスパイラル型膜モジュール
によると、従来のスパイラル型膜モジュールで生じるよ
うな円筒容器と膜エレメントの隙間での異常滞留部が発
生せず、常に清浄な状態で処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるスパイラル型膜モジュー
ルの断面図である。

【図２】図１のスパイラル型膜モジュールの膜エレメン
トの一部切欠き斜視図である。

【図３】図１中のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】図１中のスパイラル型膜エレメントの封止部の
拡大断面図である。

【符号の説明】

１スパイラル型膜モジュール２円筒容器４第１流体入口６第１流体出口７第２流体出口１０スパイラル型膜エレメント１０ａ気液接触部１０ｂ，１０ｃ封止部１１第２流体供給管１１ａ第２流体入口１１ｂ供給孔１３第１流体流路材１４気液接触膜１５第２流体流路材１６，１７樹脂剤１８第２流体流路１９第１流体流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続または独立した一対の透過膜を、内
側に第１流路材を挟んでかつ外側に第２流路材を重ねて
有孔中空管の外周面にスパイラル状に巻回することによ
りスパイラル状膜エレメントが形成され、前記透過膜間
で前記第１流路材により形成される第１の流路の内周側
の側部および外周側の側部が封止されるとともに、前記
透過膜間で前記第２流路材により形成される第２の流路
の両端部が封止され、前記スパイラル状膜エレメント
は、筒形容器内に収納され、前記筒形容器は、両端部に
それぞれ第１流体口を有しかつ少なくとも一端部および
外周部にそれぞれ第２流体口を有し、前記筒形容器内で
前記スパイラル状膜エレメントの両端部側にそれぞれ形
成される第１の空間と前記スパイラル状膜エレメントの
外周部側に形成される第２の空間とが分離され、前記第
１の空間が前記第１流体口に連通し、前記第２の空間が
前記筒形容器の外周部の前記第２流体口に連通しかつ前
記有孔中空管の内部が前記筒形容器の少なくとも一端部
の前記第２流体口に連通したことを特徴とするスパイラ
ル膜モジュール。
【請求項２】前記第１の流路を通過する流体が気体で
あり、前記第２の流路を通過する流体が液体であること
を特徴とする請求項１記載のスパイラル型膜モジュー
ル。
【請求項３】前記第１の流路を通過する流体が液体で
あり、前記第２の流路を通過する流体が気体であること
を特徴とする請求項１または２記載のスパイラル型膜モ
ジュール。
【請求項４】前記透過膜は、膜表面にスキン層または
緻密層を有し、前記スキン層または前記緻密層が液体の
流路側となるように配置されたことを特徴とする請求項
２または３のいずれかに記載のスパイラル型膜モジュー
ル。
【請求項５】前記透過膜は、多孔質膜、微孔質膜およ
び非多孔質膜の中から選ばれた１または複数の膜からな
る単体膜または複合膜であることを特徴とする請求項１
〜４のいずれかに記載のスパイラル型膜モジュール。