JPH11197468A - スパイラル型膜モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気体流路内に生じる液滴を容易に除去するこ
と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。 【解決手段】 第１流体流路材１３および発熱体５０の
両側に気液接触膜１４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を形成する。スパイラル
型膜エレメントは円筒容器の内部に収納され、その外周
端部が封止部により封止される。発熱体５０は、第１流
体流路材１３により形成される気体の流路内において発
熱し、気液接触膜の表面に発生する液滴を加熱して蒸発
除去する。

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。しかしながら、中空糸膜
モジュールでは、膜が折れやすいという欠点を有してい
る。

【０００４】一方、膜面積を多く取れる膜モジュールの
形態としてスパイラル型膜モジュールがある。スパイラ
ル型膜モジュールは、中空糸膜モジュールと比較すると
信頼性が高いという利点を有している。そこで、気液接
触法にスパイラル型膜モジュールを適用することが検討
されている。

【０００５】スパイラル型膜モジュールは、例えば流体
流路材の両面に透過膜を重ね合わせ、その外側に気体流
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
することにより形成された膜エレメントを有し、この膜
エレメントを筒型ケース内に収納して形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
スパイラル型膜モジュールにおいては、長期間運転した
場合や、流体の温度が変化するような場合には、気体流
路側の透過膜の膜面に液滴が発生するという問題が生じ
る。気体流路側の膜面に液滴が付着すると、この部分に
おいて気体の透過が妨げられ、気液接触効率が低下す
る。

【０００７】このような状態に対し、従来では気体流路
側に排液口（ドレン）を設けて液滴をスパイラル型膜モ
ジュール外に自然に排出させたり、気体流路内に乾燥ガ
スを送り込んで液滴を蒸発させる等の対策が講じられて
いた。

【０００８】しかしながら、前者の方法では排液口の設
置が必要となりスパイラル型膜モジュールの構造が複雑
化する。また、後者の方法では液滴乾燥除去のための工
程が別途必要となり、保守作業が煩雑となる。

【０００９】本発明の目的は、気体流路内に生じる液滴
を容易に除去すること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。

【００１０】

【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。さらに、第１の流路および第２の
流路の一方に発熱体を配設したものである。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】また、第１および第２の流路の一方に設け
た発熱体は、発熱することにより流路内に発生した液滴
を蒸発させることができる。これにより、気体流路内の
膜面に液滴が付着して気液接触効率が低下することを防
止することができる。

【００１４】特に、発熱体をネット状またはシート状に
形成してもよい。このような発熱体が第１または第２の
流路内に配設されることにより、流路内の全域にわたっ
て液滴を蒸発して除去することができる。

【００１５】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り、発熱体が第１
の流路を形成する第１流路材であってもよい。この場合
には、発熱体が第１流路材を兼用することにより、透過
膜間に気体流路を構成するとともに、気体流路内の膜面
に付着した液滴を蒸発して除去することができる。

【００１６】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り、発熱体
が第２の流路を形成する第２流路材であってもよい。こ
の場合には、発熱体が第２流路材を兼用することによ
り、発熱体によって透過膜間に気体流路が構成されると
ともに、気体流路の膜面に付着した液体を蒸発して除去
することができる。

【００１７】

【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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】上記のスパイラル型膜エレメント１０にお
いて、気体の流路には流路材とともに発熱体が設けられ
ている。例えば、第１流体流路１９が気体流路の場合に
は、第１流体流路材１３に発熱体が積層され、また、第
２流体流路１８が気体流路の場合には、第２流体流路材
１５に発熱体が積層されている。図２に示すスパイラル
型膜モジュールでは、第１流体流路１９が気体流路であ
り、このため第１流体流路材１３とともにシート状また
はネット状の発熱体５０が一対の気液分離膜１４，１４
間に積層されている。

【００２４】発熱体５０は、シート状あるいはネット状
の導電性ポリマに電極が取り付けられた構造を有し、電
流が供給されることにより発熱し、気体流路側の気液分
離膜１４表面に液滴が付着した際に、液滴を加熱蒸発し
て除去する。これにより、気体流路側の気液分離膜１４
の膜面に液滴が付着して気液接触効率が低下することを
防止する。

【００２５】通常、発熱体５０への電流の供給は遮断さ
れている。そして、気体の流路側に液滴が付着した際
に、発熱体５０に通電して発熱させ、液滴を蒸発除去す
る。なお、液滴の付着は気体側の圧力損失を測定するこ
とにより検出できる。すなわち、気体側に液滴が生成さ
れると、気体側の流路が狭くなり、気体側の圧力損失が
上昇する。この圧力変動を測定し、一定以上の圧力にな
れば、発熱加熱し、液滴を蒸発除去させる。

【００２６】この発熱体５０は、上記のように流路材
（例えば第１流体流路材１３）とともに積層してもよ
く、流体流路材自体を発熱体で構成してもよい。これに
より、構成部品の数が少なくなり、製品コストを低減す
ることができる。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】本発明に係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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】さらに、上記の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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】本発明に係るスパイラル型膜モジュール
は、以下のような形態で使用することができる。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【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 ５０ 発熱体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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流体口に連通しており、前記第１の流路およ
   び前記第２の流路の一方に発熱体を配設したことを特徴
   とするスパイラル型膜モジュール。
2. 【請求項２】 前記発熱体をネット状またはシート状に
   形成した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。
3. 【請求項３】 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り、 前記発熱体が前記第１の流路を形成する前記第１流路材
   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。
4. 【請求項４】 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り、 前記発熱体が前記第２の流路を形成する前記第２流路材
   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。