JPS602881B2 - 高性能スパイラル型液体分離素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高性能、特に膜の充填密度が大きく、液体処理
量を飛躍的に増大せしめたスパイラル型液体分離素子に
関する。

逆浸透原理を利用した液体分離装置は、その卓越した分
離性能に加えて、蒸発法などにくらべて消費エネルギー
が著しく少ない、操作が簡便であるなど多くの長所を有
するため、久しく注目を築めてし・たが、近年に至って
各種の逆浸透分離装置が開発され、ようやく工業的に利
用されはじめてきた。

商業的に製造販売されている代表的逆浸透分離菱贋とし
てはスパイラル型および中空糸型の液体分離素子を用い
たものがあり、それぞれ長所と欠点があって一義的に優
劣をつけ難いが、スパイラル型液体分離素子が中空糸（
又は中空繊維）型液体分離素子に劣ると云われている事
項として分離素子における膜の充填密度がある。すなわ
ち、スパイラル型液体分離素子は侍公昭４９一８６２ｙ
号および袴公昭５２一鼠３１号公報などに開示されてい
る通り、基本的には中空状の中心管、該中心管にスパイ
ラル状に巻回される逆浸透膜および供尊台原液と透過液
の流路を形成するための流路材からなっており、この流
路材を必要としない中空糸タイプの液体分離素子にくら
べて構造上膜充填密度は小さくならざるを得ない。

そして分離素子を大型化し、分離素子一体当りの液体処
理能力の増大を図かる、すなわち、逆浸透プラントの大
型化を図かる際には膜の有効充填密度の差はプラントの
大きさの差として顕在化される。スパイラル型液体分離
素子の膿充填密度の増大をはかる具体的手段としては、
半透膿、原液並びに透過液の流路材の厚みをそれぞれで
きる限り薄くすることが考えられる。

しかしながら、半透膜、たとえばセルロースやポリアミ
ド等から作製される膜の厚さは、一般に３０〜２００ミ
クロンの範囲であり、膜を補強するため厚さが約１００
〜４００ミクロンの補強シートが設けられており、該半
透膜の分離特性、機械的強度を損うことなく、さらに薄
くすることは極めて難しい。また、透過液の流路材は半
透膜を通過して分離された透過液を半透膜の裏面に沿っ
て中空管に導くための流略を形成するが、多くは多孔質
シートや溝付シートなどできる限り透過液の流動抵抗を
小さくしたものが用いられる。したがってこの透過液流
路村の厚さを４・さくすると透過液の流動抵抗が増大し
、逆浸透袋鷹の性能に彰蟹するところが大きく、そのシ
ートの厚みには限界がある。この透過液の流動抵抗を小
さくする手段として椿公略４９−８６２９号公報に示さ
れているように、中心管から複数の透過液流路材を複数
の透過膜と共に放射状に取り付け、透過液の流路を短か
くすることができるが、この場合も流路材の厚みを大中
に小さくすることはできず、一般的には透過液流路材の
厚さは１００〜５００ミクロンが限度である。また、膜
充填密度の増大を目的とするものではないが、特公昭４
４−１８７３び号公報には、両面に起伏形状、たとえば
溝を設けた帯状台と半透膜を鏡層し、これをらせん状に
巻回し、該帯状台の溝を流体の流路とした構造の分離装
贋が開示されている。

しかしながら、このような帯状台による流賂は、帯状台
の起伏形状の素材、寸法精度、大きさ等によって、分離
性能が変動し、かつ流体の稀略の大きさも制限されるの
で、液体処理能力の大中な向上は期待できないし、濃度
分極あるし、は流路の閉塞などのトラブルが生じやすい
。さらに、流賂村として流体に可溶性の素材を用いて、
この流路材を半透膜と鏡屑して巻回したのち、前記流路
材を溶解除去して、流体の流路を設ける手段もあるが、
このような手段は液体分離素子の初期の液体分離性能を
失わせることなく、該稀路材を除去することが難しく、
一たん巻回したのち溶藤あるいはその他の手段により、
該流隣村が完全に除去され、一定、かつ均一な間隙（流
燐）を形成する流路材が現実存在するとは考えられず、
実用化又は具体化に欠けると考えざるを得ない。すなわ
ち、供給源液を半透膜表面に沿って膜表面全体に均一に
分配、供給するための原液流路材には透過液流路材と同
様に原液の流動抵抗を小さくする機能が要求され、さら
に相対する半透膜間に介在して両膜面間隔を一定に保ち
、そこを流れる原液の偏流、デッドスペースの形成を防
ぐことによって常時半透膜表面の原液を更新し、逆浸透
分離における大きな問題の１つである原液の膿面濃度分
極の発生を防止する機能が要求される。

したがって、スパイラル型逆浸透装置においては、ガス
分離等ではほとんど問題となることがない濃度分極を防
止するために、陰面全体に亘つて、できる限り精度の高
い厚さを有する原液流磯村を設ける必要があり、一般的
には立体交叉型のプラスチック製ネットが用いられてい
る。しかしその厚さは製造上の制約から４００〜１５０
０ミクロンであり、半透膜や透過液流路材よりも厚いも
のが用いられている。本発明者らは、上記逆浸透菱贋を
構成する半透膜、流路材の機能を損うことなく、膜充填
密度を増大した装置について鋭意検討を行なって本発明
を見出すに到ったものである。

すなわち、本発明の目的とするところは、半透膜の液体
分離性能、流路材の流動抵抗減少、偏流、デットスベー
スの形成防止並びに濃度分極防止等の性能を損うことな
く、膜充填密度を増大せしめたスパイラル型液体分離装
置を提供するにあり、他の目的は液体処理量の大きい高
圧下で操作される大型液体分離装置を提供するにある。

ここらに他の目的は液体分離素子を内蔵する圧力容器の
形状が小さくて、コンパクトなプラントの設置が可能な
装置の設計、設置面で有利な液体分離装置を提供するに
ある。このような本発明の目的は前記特許請求の範囲に
記載したように、基本的には、半透膜及び／又は透過液
流路材として液圧に対して可操性及び／又は塑性変形を
示す膜及び透過液流離材を用い、該半透膜を直接相対せ
しめて及び／又は該透過液流賂材と共に中空管の周りに
巻回せしめることにより達成することができる。

本発明の特徴は前述したようにスパイラル型液体分離装
置を構成する液体分離素子の膿充填密度を大きくするた
め、この膜充填密度の増大を妨げる原液流路材を実質的
に省略した装置であり、この原液流離材を使用しないで
液体分離装贋の性能を保持、向上させるために、半透膜
及び／又は透過液流路材として液圧に対して弾性変形及
び／又は塑性変形を生ずる膜及び透過液流路材を用いて
原液流路の形成を可能ならしめた点に特徴がある。

本発明において、弾性変形とは液圧が加つた場合に液圧
の大きさに応じて変形、圧縮され、液圧を除くともとの
形状に復元することを云い、また塑性変形とは液圧が加
わるとその形状が永久的に変形し、液圧を除去してもも
との形状に復元しないことを云う。

このような弾性変形を示す半透腰および流路材としては
種々のものがあり、それらの構成素材及び物理的構造を
選択すればよく、たとえば、半透膜に液圧に対して弾性
変形を示す多孔費構造を設けたもの、弾性変形を有する
補強材を接合したものがあり、また流路材としては、弾
性変形を示す緑織組織に編織成したものなどがあり、そ
の変形の程度は逆浸透装置に適用される液圧に応じて予
じめ決定することができる。

また、液圧に対して塑性変形を示す膜及び流離村として
は同様に膜および流離材を構成する素材及びその物理的
構造を選択すればよい。

本発明において、半透膜と流賂村とは、そのいずれか一
方が液圧に対して弾性変形および／又は塑性変形するも
のであっても、双方がいずれも弾性及び／又は塑性変形
を示すものであってもよい。

さらに具体的には、通常の液体分離袋贋の運転液体分離
素子を構成する半透膜及び／又は透過液流路材としては
、該半透膜が直接相対する膜面に１０〜ｌｏｏ０ム、好
ましくは２０〜５００ムの範囲の間隙が生ずるような弾
性及び／又は塑性変形を生ずる半透膜及び／又は流離村
を用いるのがよく、液体分離素子に組み込む半透膿２枚
と流路材２枚を穣肩し、この積層体の変形の度合を前記
圧力下で予じめ測定して選定するのがよい。

本発明は従来スパイラル型液体分離素子において必須と
考えられていた原液流路材を該分離素子の構成要素とし
て用いることなく、該液体分離素子の膿充填密度を大中
に増加させることに成功したものであり、このように原
液流路材を実質的に設けなくても、半透膜及び透過液流
磯村として液圧に対して弾性あるいは塑性変形を生ずる
ものを選択使用することにより、相対する該液体分離素
子の半透膜間に供鞠溝原液の流離を形成させることがで
き、液体分離素子の液体分離性能を損うことなく、分離
操作ができることは驚くべきことである。

本発明の液体分離素子において原液の流れは色々考えら
れる。

一方法として供艶舎原液を該分離素子の外周から供給し
ても、その逆、すなわち、中空管側から供ｇ貧してもよ
いが、中空管側から、らせん状に供給源液を流す場合に
は、半透膜面上に接して、中空管の近傍に、該半透膜間
を拡げるための流路材を設け、供給源液の半透膜間への
円滑な導入を図って、互いに相接する半透膜間を拡げ、
流路の形成を促進するのがよい。また液体の圧力によっ
て形成される膜間の空隙、すなわち原液流藤は、可能な
限り狭く（薄く）するのがよく、あまり広く（厚く）な
ると分離素子の形状が変形し、均一な厚さを有する流路
が形成されなくなるので好ましくない。しかし、この流
路が余りに狭くなると、供給簾液の流動抵抗が増大する
。この原液の流動抵抗は原液をらせん状に流す方が４・
さいが、この場合に、中空管に接続する透過液流路材を
複数化することにより、中空管の垂直方向における半透
膜の長さを自由に短かくする、すなわち、半透膜表面を
流れる供給源液の流路を短縮することが可能となるから
、供尊台原液の流路の間隔が狭くても、液体分離素子を
通過する供尊簿原液の圧力損失を十分小さくすることが
できる。また、供給源液の分離素子への供給方法として
は、中空管の長さ方向、すなわち平向方向に流すことが
できるが、この場合には、供尊台原液が該分離素子を流
れる脂隣は、巻回された半透膜の長さに関係なく、一定
である。以下、図面により、さらに詳細かつ具体的に本
発明を説明する。

第１図は本発明の逆浸透装置に用いる液体分離素子の１
態様を示す側断面図であり、第２図は第１図の×−×方
向における断面図、第３図は第１図の×−Ｙ方向におけ
る断面図である。

第２図および第３図において、本発明の液体分離素子１
は周面に多数の小孔３を有する中空管４、該中空管４に
らせん状に巻回された透過液流勝材５、透過液流離材５
を挟持してらせん状に中空管４に巻回された２枚の半透
膜６，６′とからなり、該半透膜６と６′はその表面が
直接相接して巻回され、中空管４との接続部には供繋舎
原液流絡材７が設けられている。

分離素子１の外周には該分離素子の形状を安定に保持す
るための多孔質の保持材９が設けられ、さらに第１図に
示す通り分離素子１は圧力容器２内に収納されている。
なお、第２図において、２枚の半透膜６，６′は透過液
流賂材５を挟持して封筒状に接着シール部１０および端
面シール材８，８′でシールされ、供給源液が２枚の半
透膜６，６′で形成される封筒内に直接流入しないよう
に構成されている。第４図は第３図のＡ部を拡大した断
面図であり、第４図Ａは供給源液を液体分離素子に供給
する前の状態を示し、第４図Ｂは供Ｖ給源液を供野合し
た後の状態を示す。

図に示すように、本発明の液体分離装置は供Ｖ給源液を
通す前には第４図Ａのように半透膜６，６′の膿面は密
着した状態にあるが、液体分離装置に供給源液を遺すと
、供鰭高原液の液圧によって第４図Ｂに示すように半透
膜６，６′との間に浸液した原液の液圧により、該半透
膜６と６′との間には矢印方向に力が加わり、半透膜６
，６′および／又は流路材５はその厚さ方向に変形して
、原液流路となる均一な厚さの間隙を形成する。第１図
において、原液流入パイプ１１より圧力容器２に流入し
た加圧された供野合原液は矢印方向に中空管近傍より液
体分離素子に流入し、第４図に示したように供給源液に
よって形成された間隙を通って、らせん状に矢印方向に
流れて分離素子の外に流出し、パイプ１２を経て圧力容
器外に濃縮液として取出される。

なお、この場合供酪舎原液が濃縮液側にショートパスし
ないように０リング１３が設けられている。一方、供Ｖ
給源液がらせん状に半透膜６，６′を流れる際、半透膜
を透過した透過液は、透過液流路材によって中空管へ導
かれ、中空管から圧力容器外に取出される。第５図は供
聯合原液の流路を短か〈し、原液処理量を大きくするた
めに、透過液流路材、半透膜をそれぞれ複数用いた液体
分離素子の１例を示す断面図である。

第５図では、透過液流路材が中間に挿入された２枚の包
袋状半透膜を３枚らせん状に巻回した分離素子であり、
供繋舎原液の流路は約３分の１に短縮することができ、
供ｖ給原液の流動抵抗を約１／３に低下させることが可
能である。なお、第５図に示す通り、中空管４に半透膜
が接続する部分に半透膜６と６′との密着を防ぎ、供給
源液の半透膜間への流入を容易にする原液流路材７を設
けてもよい。しかしながら、この原液流路村７はあまり
に長くなると分離素子の半透膜の充填密度を小さくし、
腰面積が十分増大しなくなるので、でいる限り短かくす
る、好ましくは、半透膜の全長に対して１／６以下にす
るのがよい。本発明分離素子に用いた半透膜はセルロー
スアセテートやポリアミドなどのポリマー等広く半透膜
の使用が可能である。また補強材の上に半透膜を形成し
たもの、例えば補強材としてポリェステルタフタや不織
布等を用いたものも総じて半透膜として用いることが可
能である。分離液流路材もまたシート状の薄い多孔質の
素材又は面に凹凸のある素材が用いられるが、具体的に
はポリエステル製トリコットを樹脂加工したもの等が用
いられる。

実施例 １直径１０仇岬、長さ（陣中）９０物舷形状を
したスパイラル型分離素子を製造するにあたって、各素
材の厚みが、半透膜２１０一、透過液流路材２８０ｒ、
原液流路材６３０ムのものを用いた。

ここで半透膜としてはポリエステルタフタを補強材とす
るセルロース膜、透過流離材としてポリエステルトリコ
ットを素材とし、該トリコットをメラミン樹脂加工した
シート材、原液流路材として、ポリプロピレンを原料と
する立体交叉型のプラスチックネットを用いた。

袴公昭４９一８６２９に示す如き従来のスパイラル型分
離素子を上記素材により製造した結果、該分離素子の有
効半透膜面積は１本当り７めであったが本発明による前
記図面に示す分離素子を製造した結果、１２〆と飛躍的
に有効半透膜面積を増大することを可能とした。

なおこの際の透過液流路材のシート数は従釆法において
４枚であるが、本発明方式においてはｌｑ女に増加して
いる。上記の結果、本発明分離素子が従来のものに対し
、分離液の処理能力は有効膜面積に比例し、７０％の能
力アップが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる液体分離素子の１態様を示す側断
面図、第２図および第３図はそれぞれ第１図の×−×方
向およびＹ−Ｙ方向の戦断面図、第４図は第３図のＡ部
の部分拡大図であり、第４図ａは、分離素子に供給原液
を通す前の膜の状態を示し、第４図−ｂは、供給原液を
通したあとの膜の構造を示す。 また、第５図は本発明の液体分離素子の他の態様を示す
断面図である。図において、１は液体分離素子、２は圧
力容器、３は中空孔４の小孔、５は透過液流路材、６お
よび６′は半透膜、７は供給原液の流路材、８は端面シ
ール材、９は形状保持材、１０はシール部、１１は原液
流入パイプ、１２は濃縮液取出パイプである。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周面に小孔を有する中空管、該中空管のまわりにら
   せん状に設けられた一端が閉塞され、他端が前記中空管
   の中空孔に接続され、かつ内部に透過液の流路材を有す
   る包袋状半透膜からなる液体分離素子において、前記半
   透膜および／または透過液流路材が供給原液の圧力に対
   して弾性変形および／または塑性変形性を有する素材か
   らなり、かつ該半透膜がその膜面を相互に相接してらせ
   ん状に巻回されており、供給原液を加圧することによっ
   て、原液流路の形成を可能とすることを特徴とする高性
   能スパイラル型液体分離素子。