JPWO2004069391A1

JPWO2004069391A1 - 中空糸膜モジュールおよびそのモジュール配列群

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Publication number: JPWO2004069391A1
Application number: JP2004567896A
Authority: JP
Inventors: 熊野　淳夫; 淳夫熊野; 一成丸井; 秀人小寺; 藤原　信也; 信也藤原
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: EP1598105A1; US20060144777A1; JP4412486B2; WO2004069391A1; EP1598105A4; ATE450309T1; EP1598105B8; DE60330397D1; AU2003266596A1; EP1598105B1

Abstract

中空糸膜エレメントが圧力容器に装着されている中空糸膜モジュールにおいて、供給流体が中空糸膜エレメントの中心部の供給流体分配管に供給可能で、圧力容器の一方の端部近傍の外周側面に少なくとも２ヶ所の供給流体流路用ノズルを有し、他方の端部近傍の外周側面に少なくとも２ヶ所の濃縮流体流路用ノズルを有していることを特徴とする中空糸膜モジュールを得るとともに、これらの中空糸膜モジュールからなり、供給側、濃縮側のヘッダ配管が実質的に不要となる中空糸膜モジュール配列群を得る。

Description

本発明は選択透過性を有する中空糸膜からなる中空糸膜モジュールに関する。流体の膜分離処理に用いられ、例えば、海水の淡水化、かん水の脱塩、廃水の浄化、無菌水の製造、超純水の製造のような逆浸透法や、高度浄水処理や農薬、臭気物質、消毒副生成物前駆物質などの低分子有害物質の除去、硬度成分除去による軟水化処理などのナノろ過法や、電着塗装廃水からの塗料の回収、食品関係の有用物の濃縮・回収、凝集沈殿・砂ろ過代替の浄水処理などの限外ろ過法や、天然ガスからのヘリウムの回収、アンモニアプラントのパージガスからの水素の分離・回収、石油の３次回収での炭酸ガスの分離、酸素富化、窒素富化などの気体分離などに用いることが可能な選択透過性を有する中空糸膜からなる中空糸膜モジュールおよびそれらからなる中空糸膜モジュール配列群に関するものである。特に気体の分離用のガス分離膜モジュールや海水の淡水化などの水処理に有効な逆浸透中空糸膜モジュールおよびそれらからなる中空糸膜モジュール配列群に関するものである。

選択透過性膜は分離する物質のサイズによって種類が分けられている。例えば、液体処理用の膜の種類としては、コロイドや蛋白質等を分離する限外ろ過膜や精密ろ過膜、農薬等の低分子有機物を分離するナノろ過膜、及びイオン類を分離する逆浸透膜に大別される。逆浸透膜は処理すべき液体の浸透圧よりも高い圧力下で使用されるものであり海水淡水化の場合は数ＭＰａの圧力で使用される。
一方、選択透過性膜の膜形状としては、平膜型、管状膜型、スパイラル膜型及び中空糸膜型が挙げられるが、中でも、中空糸膜型は膜モジュールの単位容積当たりの膜面積を大きくできるため、膜分離操作に適した形状であり、例えば、逆浸透膜による海水淡水化分野では広く用いられている。また、実際にこれらの膜モジュールが用いられる場合で、処理容量が１本の膜モジュールの処理量より大きい場合は、膜モジュールが複数本配列され、それぞれが配管接続されている膜モジュール配列群が構成される。
モジュールの構造は、目的の性能や使用条件に応じて種々の検討がなされている。例えば、特開昭５６−８７４０５号公報や特公昭６０−３７０２９号公報には、逆浸透膜の場合について供給水分配管の周りに中空糸膜を交差配置にして、中空糸膜と中空糸膜の間の空間を保持することで、供給液の透過性を均一にする、すなわち、供給液内の濁質が中空糸間に詰まり難くする、いわゆる耐濁質性に優れる効果や、供給液が放射状に均一に流れて偏流がなく濃度分極を抑制できる中空糸膜モジュールが開示されている。
このように、広く用いられている中空糸膜モジュールの多くは、流体の圧力が高い供給流体の供給口や、非透過流体の排出口は中空糸膜モジュールの端部にモジュールの軸方向と平行な方向に向けて設置されている。このため、中空糸膜モジュール配列群は多数の高圧配管とそれらからなるヘッダ配管を必要とし、配管のコストや、配管スペースが大きくなるのが実情である。特に、海水淡水化用の中空糸膜モジュールの場合、一般には操作圧力が６ＭＰａ以上と高圧であるため、供給液用配管および濃縮液用配管やそれらから構成されるヘッダ配管は高耐圧性仕様となり、配管スペースが大きくなるとともに、中空糸膜モジュール以外のコストが大きくなるという問題がある。それに対して、特開平１０−２９６０５８号公報には、非透過流体である濃縮水の排出口が、中空糸膜モジュールの圧力容器の外周側面に設置されている中空糸膜モジュール構造が開示されているが、供給流体の供給口は中空糸膜モジュール端部にモジュールの軸方向と平行な方向に向けて設置されているため、中空糸膜モジュール配列群を構成した場合に供給流体用の配管、濃縮流体用の配管からなるヘッダ配管が必要であることには変わりはない。
一方、ＣｏｄｅＬｉｎｅＰｒｏｄｕｃｔＢｕｌｌｅｔｉｎ５０７０５４Ｒｅｖ．Ｃ“ＣｏｄｅＬｉｎｅＭｕｌｔｉ−ｐｏｒｔｅｄＭｅｍｂｒａｎｅＨｏｕｓｉｎｇｓＹｏｕｒＰａｔｈｔｏＲｅｄｕｃｉｎｇＳｙｓｔｅｍＣｏｓｔｂｙＥｌｉｍｉｎａｔｉｎｇＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＭａｎｉｆｏｌｄｓ”には、スパイラル逆浸透膜モジュールに関して開示されている。これは、先述した中空糸膜モジュールと同様にモジュールへの供給液入口や濃縮液出口が膜モジュールの端部にモジュールの軸方向と平行な方向に向けて設置されている場合が多いが、なかには、供給液入口や濃縮液出口が、圧力容器の側面に設置され、それらの供給液入口同士を、また、濃縮水出口同士を接続することにより、ヘッダ配管が不要となるスパイラル逆浸透膜モジュール配列群の構成が開示されている。これらの図をもとに作成した、従来のスパイラル膜モジュールで、圧力容器の側面に供給水入口、濃縮水出口を有する場合の一例でモジュール内の液流れの模式図を

図６

に示す。供給水は圧力容器側面から供給され、膜エレメントへはスパイラル逆浸透膜エレメントの供給水流入端より供給されるものであり、供給液に対して直列配置となっている。また、スパイラル逆浸透膜エレメントは６本装着するのが一般的であり、その場合、モジュールとしての圧力損失は大きくなり、供給圧力の有効活用がし難い問題がある。
また、スパイラル逆浸透膜モジュールの場合に比べて、中空糸逆浸透膜モジュールの場合は並列配置が可能で、逆浸透膜モジュールの圧力損失を小さく抑えられるとともに、個々の中空糸膜エレメントの透過液を採取でき、濃度実測による膜エレメント管理が可能である。また、スパイラル逆浸透膜モジュールでは最大８インチ径の膜エレメントまでしか実用的に使用されていないのに対し、中空糸逆浸透膜モジュールでは、１０インチ径の大型膜エレメントを使用可能であることより処理流量も大きくなり、配管径も大きいため、配管長の削減の効果をより大きくすることができる。
例えば、米国特許第４，７８１，８３０号明細書（特開平２−２１９１９号公報）においてスパイラル膜エレメントを用いた膜モジュールとその装置が開示されているが、ここに開示されているようなスパイラル膜モジュールの場合は、並列配置にすることが困難である。
一方、米国特許第４，０１６，０７８号明細書においては、複数の管状膜モジュールを連結する場合、配管接続を利用せずに端部のブロックを連結することでモジュール配列群を構成する例が開示されている。この場合の連結ではガスケットをブロック間に介して連結しており、連結時の接触面積も大きく、逆浸透膜に用いられるような高圧で用いる場合にはシールが十分とは言えず、また接続に多大の固定用の部材が必要となる。また、この場合は、管状膜を内圧方式で用いる場合であり、逆浸透膜のような高圧で使用する膜には適用することが困難である。

本発明は、低圧損で、個々の中空糸膜エレメントの透過水を個別に採水可能な中空糸膜モジュールおよび複数の中空糸膜モジュールの接続において、供給流体用の配管および濃縮流体用の配管を少なくでき、供給側、濃縮側のヘッダ配管が実質的に不要である中空糸膜モジュール配列群を提供することを課題とする。
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、少なくとも２本の中空糸膜エレメントから構成される中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜エレメントの中心部に供給流体分配管を配置し、供給流体流路用ノズルと濃縮流体流路用ノズルを中空糸膜モジュール圧力容器の外周側面に有する構造とすることで、上記、目的を満足する中空糸膜モジュールおよび中空糸膜モジュール配列群が可能であることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、下記のものである。
（１）供給流体分配管を有する中空糸膜エレメントの両端部に透過流体収集部材を配した中空糸膜サブモジュールを圧力容器に装着した中空糸膜モジュールであって、
（ａ）該圧力容器の両端部に透過流体出口を有し、
（ｂ）該圧力容器の一方の端部近傍の外周側面に少なくとも２ケ所の供給流体流路用ノズルを有し、
（ｃ）該供給流体流路用ノズルが供給流体分配管と連通し、
（ｄ）該圧力容器の他方の端部の近傍の外周側面に少なくとも２ケ所の濃縮流体流路用ノズルを有していることを特徴とする中空糸膜モジュール。
（２）供給流体分配管を有する中空糸膜エレメントにおいて、該供給流体分配管の周りに選択透過性を有する中空糸膜が配置され、該中空糸膜の両端部が樹脂で接着固定された後、両端が切断され中空孔が開口していることを特徴とする（１）に記載の中空糸膜モジュール。
（３）供給流体分配管の内側に内部管を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の中空糸膜モジュール。
（４）供給流体分配管の周りに中空糸膜が交差状に配置されていることを特徴とする（１）〜（３）いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（５）圧力容器内に少なくとも２本の中空糸膜エレメントを有することを特徴とする（１）〜（４）いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（６）供給流体が少なくとも２本の中空糸膜エレメントに並列に供給される並列配置であることを特徴とする（５）に記載の中空糸膜モジュール。
（７）供給流体が少なくとも２本の中空糸膜エレメントに直列に供給される直列配置であることを特徴とする（５）に記載の中空糸膜モジュール。
（８）中空糸膜が逆浸透膜であることを特徴とする（１）〜（７）いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（９）中空糸膜がガス分離膜であることを特徴とする（１）〜（８）いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
（１０）（１）〜（９）いずれかに記載の中空糸膜モジュールが複数本数から構成される中空糸膜モジュール配列群であって、中空糸膜モジュールの圧力容器の一方の供給流体用流路ノズルが供給流体に対して上流の中空糸膜モジュールの供給流体用流路ノズルと連通し、他方の供給流体用流路ノズルが供給流体に対して下流の中空糸膜モジュールの供給流体用流路ノズルに連通しており、また、中空糸膜モジュールの圧力容器の一方の濃縮流体用流路ノズルが濃縮流体に対して上流の中空糸膜モジュールの濃縮流体用流路ノズルに連通し、他方の濃縮流体用流路ノズルが濃縮流体に対して下流の中空糸膜モジュールの濃縮流体用流路ノズルに連通していることを特徴とする中空糸膜モジュール配列群。
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。
本発明において供給流体分配管とは、供給流体入口から供給される流体を中空糸集合体に分配させる機能を有する管状部材である。好適な一例としては、多孔管があげられる。供給流体分配管を用いることにより、供給流体が中空糸集合体に均一に分配可能となる。中空糸膜エレメントの長さが長い場合や中空糸膜集合体の外径が大きい場合に特に効果的である。供給流体分配管は中空糸膜の集合体の中心部に位置させるのが、本発明においてはより好ましい。中空糸膜エレメントの径に対して供給流体分配管の径が大き過ぎると、中空糸膜モジュール内の中空糸膜が占める割合が減少し、結果として中空糸膜モジュールの膜面積が減少するか、あるいは膜面積を稼ぐためにモジュール自体を大きくしなければならないなど、容積効率が低下することがある。したがって、供給流体分配管の径は好ましくは、例えば、中空糸膜エレメント断面積の１５％以下である。より好ましくは１０％以下である。また、供給流体分配管の径が小さすぎると、供給流体分配管内を供給流体が流動する際の圧力損失が大きくなり、結果として中空糸膜にかかる有効差圧が小さくなり分離効率が低下する可能性がある。また、供給流体が中空糸膜層を流れる際に受ける中空糸膜の張力により供給流体分配管が破損することがある。したがって、供給流体分配管の材質、強度、長さ等によって異なるが、例えば、ＦＲＰ製で、長さが１ｍ〜２ｍの場合には、供給流体分配管の径は好ましくは、中空糸膜エレメント断面積の１％以上である。より好ましくは２％以上である。その他、処理流体の粘度、流量などの影響を総合的に考慮し、最適な径を設定するのが好ましい。
本発明における、中空糸膜の集合体の両端部が別々に樹脂で固定され両端部で該中空糸膜の中空孔が開口しているとは、中空糸膜の集合体の両端部を別々に接着用樹脂でポッティングするなどして、中空糸膜間の隙間や中空糸膜と樹脂との隙間より供給流体が漏れないように密閉固定されていることである。使用する接着樹脂としては、処理流体の特性、使用条件によって、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコン系樹脂などから選ぶことができる。接着剤で固定された両端部は、中空糸膜の中空孔が開口するように切断するなどの処理をして中空糸膜エレメントとする。この中空糸膜エレメントの中空糸膜開口端部に透過流体収集部材を設置して中空糸膜サブモジュールとする。１つまたは複数個の中空糸膜サブモジュールを供給流体入口、濃縮流体出口、透過流体取出口を有する圧力容器に装着し、中空糸膜モジュールとする。
本発明における圧力容器は、中空糸膜サブモジュールを収納し、中空糸膜に有効な圧力差を与えることができ、中空糸膜による分離操作が可能であることが必要である。
本発明における供給流体流路用ノズルとは、中空糸膜モジュール配列群において、中空糸膜モジュールに供給流体を供給するためと、別の中空糸膜モジュールへ供給流体の一部を供給するために用いられるものであり、流れ方向により２用途に大別される。その設置場所は、圧力容器の端部近傍の外周側面であり、供給流体分配管に供給するためには、中空糸膜エレメントの樹脂部よりも外側であることが好ましい。また、供給流体流路用ノズルを圧力容器の１つの端部近傍の外周側面に２ケ所以上設ける場合は、それらを対称位置に設けるのが、他の中空糸膜モジュールとの接続が容易になることから好ましい。さらに、中空糸膜モジュール配列群の供給流体に対して最下流の中空糸膜モジュールや、中空糸膜モジュール１本単独で使用される場合は、一つの供給流体流路用ノズルのみを供給流体の供給口として用い、他は密封して用いればよい。
本発明における濃縮流体流路用ノズルとは、中空糸膜モジュール配列群において、下流の中空糸膜モジュールへ濃縮流体を送るためのものと、上流の中空糸膜モジュールからの濃縮流体を受け取るために用いられるものがあり、流れ方向により２用途に大別される。その設置場所は、圧力容器の端部近傍の外周側面であり、濃縮流体を効率よく排出するためには、中空糸膜エレメントの樹脂の部分の外側であることが好ましく、２ケ所が対称位置にある方が他の中空糸膜モジュールとの接続が容易になることから好ましい。また、中空糸膜モジュール配列群の濃縮流体に対して最上流の中空糸膜モジュールや、中空糸膜モジュール１本単独で使用される場合は、一つの濃縮流体流路用ノズルのみ濃縮流体の排出口として用い、他は密封して用いればよい。
本発明における透過流体出口とは、中空糸膜モジュールで処理された透過流体が中空糸膜モジュール外に取り出される出口であり、取り付け位置や形状等は特に限定されないが、圧力容器の端部板の装脱着の容易性という点でモジュール端部の中心部付近に端部面より鉛直方向に取り付けるのが好ましい。
本発明における内部管とは、その内側を透過流体が流れる管であり、中空糸膜エレメントの中空糸膜の両端開口部と透過流体収集部材との間隙に連通している。すなわち、このような内部管を設けることにより、中空糸膜の片端部に得られた透過流体と他端部の透過流体とを合流させて一つの透過流体出口から同時に取り出すことが可能となる。その位置は、供給流体分配管の内側に設置するのが、コンパクト性および組立ての容易性、作業性、性能の点から好ましい。この場合、供給流体分配管の内壁と、内部管の外壁から形成される空間に供給流体が流れ、内部管の内部に透過流体が流れることになり、メンテナンス性、容積効率の点から好ましい実施態様である。
内部管が供給流体分配管の外側にある場合、内部管の位置は供給流体分配管と中空糸膜集合体最外層部との間になるため、中空糸膜集合体内の中空糸膜の充填量が少なくなり、処理量が低下することがある。また、内部管の径を小さくすると、透過流体が流れる際の圧力損失が大きくなり、透過水量が減少することがある。
内部管を供給流体分配管の内側に設置する場合、内部管の外径は、供給流体分配管の内径より十分に小さいことが好ましい。内部管の外形が大きすぎると供給流体分配管の内壁と、内部管の外壁から形成される空間が小さくなるため供給流体の圧損が大きくなり、また逆に小さすぎると、透過流体が流れる際の圧力損失が大きくなり、すなわち膜に作用する有効差圧の減少を生じ、透水性の低下や分離効率の低下の原因となることがある。好ましい内部管の径は、例えば、中空糸型逆浸透膜の場合は、供給流体分配管の内径断面積に対する内部管の外径断面積の割合が、５％から３０％、より好ましくは７％から２０％である。内部管の内径は、透過流体が流れる圧力損失および供給流体と透過流体の圧力差に基づいて適宜設定するのが好ましい。例えば、海水淡水化用の逆浸透膜において、内部管がＦＲＰ製からなる場合、内部管の外径断面積に対する内径断面積の割合が２０％から８０％、より好ましくは３０％から６０％である。
本発明における、供給流体流路用ノズルが供給流体分配管と連通しているとは、流路部材やＯリング、Ｖパッキンなどのシール材などで外部と流体の移動・交換が無い状態を維持して、共通空間を有することを意味する。中空糸膜の開口部は透過流体出口と連通している。中空糸膜の外周側部分は濃縮流体流路用ノズルと連通している。
処理対象の流体は、供給流体流路用ノズルから供給され、供給流体分配管を通り、供給流体分配管の側面に開けられた穴より中空糸膜集合体部の間隙に供給され、供給流体の一部は中空糸膜の外側から中空糸膜の内側に向かって透過する。中空糸膜を透過した流体（透過流体）はエレメント端部の中空糸膜開口部を経て透過流体出口から取り出される。中空糸膜を透過しなかった供給流体の一部は濃縮されながら中空糸膜集合体の外側とモジュールとの間隙部を流れて濃縮流体流路用ノズルから取り出される。
供給流体流路用ノズルが圧力容器の端部近傍の外周側面に存在する場合において、この供給流体分配管に、供給流体を効率的に導入するために、専用のコネクターを設置するなど工夫することが好ましい。内部管が供給流体分配管の内側に存在する場合は特に好ましい。また、供給流体がこのコネクターを通過する際の圧力損失が過大とならないことが、膜処理時の有効差圧を有効に活用できるため好ましい。さらに、この供給流体分配管に、供給流体を効率的に導入するためには、供給流体が中空糸膜エレメント外周部と圧力容器内面の空間である濃縮流体流路に入り込むのを防止する手段を設けることが好ましい。具体的な防止手段の一例として、中空糸膜エレメント外周部と圧力容器内面との間にパッキン類、たとえば、Ｏリング、Ｖパッキン、Ｕパッキン、Ｘパッキンなどを設けるのが好ましい。このパッキンは透過流体流路と供給流体流路の間、透過流体流路と濃縮流体流路の間をシールする目的のものとは異なり、供給流体と濃縮流体をシールするものであるため、比較的、仕様圧力差が小さいものが好ましく、Ｖパッキン、Ｕパッキン、Ｘパッキンを用いるのが操作性の点から好ましい。また、シール部材の材質としては、処理流体によって適宜選択する必要があるが、例えば、海水淡水化の場合は、耐腐食性の点や、使用温度範囲が常温であるとの理由でゴム類が好ましく、ニトリルゴム類，エチレンプロピレンゴム類、シリコーンゴム類、スチレンブタジエンゴム類、アクリルゴム類、フッ素ゴム類、フロロシリコーンゴム類などが例としてあげられる。操作性の点から、ニトリルゴム類，エチレンプロピレンゴム類、シリコーンゴム類がより好ましい。
本発明における濃縮流体とは、中空糸膜集合体の間隙を移動するのみで中空糸膜を透過しなかった流体であり、非透過成分が濃縮された流体、例えば、海水淡水化の場合では塩分等が濃縮された水である。
本発明における選択透過性を有する中空糸膜としては、ガス分離膜、精密ろ過膜、ナノろ過膜、及び逆浸透膜などが挙げられるが、特に海水の淡水化などに使用される逆浸透中空糸膜モジュールに有効である。
本発明における逆浸透膜とは、数十ダルトンの分子量の分離特性を有する領域の分離膜であり、具体的には、０．５ＭＰａ以上の操作圧力で、食塩を９０％以上除去可能なものを指す。中空糸型逆浸透膜が海水淡水化用途の場合、被処理流体である海水は濁質成分が多いため、中空糸膜間に濁質成分が詰まりにくい構造が好適である。よって、海水淡水化用途に使用するのが本発明の効果が得られやすい一例である。
本発明における供給流体分配管の周りに選択透過性を有する中空糸膜が交差状に配置されている中空糸膜の集合体とは、中空糸膜が供給流体分配管の軸方向に対して捲き角度をもって互いに交差している状態に配置されていることを意味する。例えば、供給流体分配管を回転させ、中空糸膜または複数本の中空糸膜からなる束を供給流体分配管の軸方向にトラバースさせながら、捲き上げていくことで作製することができる。中空糸膜が交差状に配置されていると、中空糸膜同士が点接触となるため中空糸膜間に空間が保持され、供給流体が中空糸膜集合体全体に亘って均等に分配されやすくなる。したがって、供給流体が中空糸膜間を通過する際の圧力損失を低く抑えられるため、中空糸膜層内の偏流を抑制できる。また、供給流体中の濁質成分の膜面への吸着や堆積が中空糸膜集合体全体に亘って均等になるため膜寿命が延びる、すなわち、中空糸膜エレメントの交換頻度を少なくできるなどのコストダウン効果が期待できる。
本発明においては、複数個の中空糸膜エレメントを１つの圧力容器に装着することが好ましい実施態様である。これにより、中空糸膜エレメント１本当たりの圧力容器のコストが下げられるとともに、中空糸膜モジュール間を接続する配管が少なくなり、中空糸膜エレメント１本当りのスペースも小さくできる。
供給流体の流量に対する透過流体の流量の割合である回収率を低い値に設定した条件で運転する場合や、中空糸膜モジュールの圧力損失を小さくしたい場合は、複数個の中空糸膜エレメントを並列接続にするのが好ましい。並列接続とは、供給流体が各中空糸膜エレメントに並列に供給されること意味し、各中空糸膜エレメントへ供給される供給流体の組成、濃度は、各中空糸膜エレメントで基本的には同じとなる。このため、各中空糸膜エレメントが受ける負荷が一様に分散され、特定の中空糸膜エレメントへ負荷が集中することがない。また、各中空糸膜エレメントへの供給流量を小さくできるため、中空糸膜モジュール圧力損失が小さくなり、有効差圧が確保できる。また、個々の中空糸膜エレメントの透過流体を採取できるため、透過流体の濃度を実測することにより運転中においても中空糸膜エレメントの性能管理が容易に実施できる。
一方、回収率が高い場合や、各中空糸膜エレメントの透過流体の濃度を変えたい場合は、複数個の中空糸膜エレメントを直列接続にするのが好ましい。直列接続とは、１つの圧力容器の中に、供給流体が各中空糸膜エレメントに、供給側、濃縮側、下流の中空糸膜エレメントの供給側、濃縮側の順に順次供給されること意味し、中空糸膜エレメントへ供給される供給流体の組成、流量は、各中空糸膜エレメントで基本的には異なり、下流の中空糸膜エレメントへの供給流体ほど、非透過成分、すなわち除去対象成分の濃度が高くなり、流量も小さくなる。そのため、中空糸膜モジュールの操作条件、特に回収率にもよるが、中空糸膜エレメントから得られる透過流体の流量、濃度は中空糸膜エレメント毎に異なるのが一般的である。濃縮側の中空糸膜エレメントほど、透過流体の流量が少なく、非透過成分、すなわち除去対象成分の濃度が高くなる。したがって、各中空糸膜エレメントから得られる透過流体の濃度は異なり、後処理と組み合わせる場合には、透過流体の濃度が高い中空糸膜エレメントの透過流体のみを後処理するなど、トータルとしての最適化が可能となる。さらに、このように直列接続の場合は、中空糸膜エレメントに供給される供給流体の流量が大きいため、回収率が高い場合でも中空糸膜表面の流速が大きくなり、膜表面の濃度分極の抑制や、汚れ成分の付着抑制に効果的である。
本発明における中空糸膜モジュール配列群とは、本発明の中空糸膜モジュール複数本から構成されるユニットであり、各中空糸膜モジュールの供給流体流路用ノズルは互いに連通しており、同様に、各中空糸膜モジュールの濃縮流体流路用ノズルは互いに連通しているものを指す。中空糸膜モジュール群を構成した場合に、各モジュールへの供給流体の均一分配性を高めるために、中空糸膜モジュールの供給流体分配管の圧力損失を最適化したり、各中空糸膜モジュールの圧力損失のバラツキを抑制するために濃縮流体側に適当な抵抗体を必要に応じて設けることも好ましい実施態様である。この抵抗体とは、濃縮流体が流れる際に圧力損失を有するものであれば、形状、構造、大きさ、材質は特に限定されない。コンパクトで、中空糸膜モジュールの使用圧力に耐えること、使用供給流体から得られる濃縮流体に対して安定しているものであれば構わない。抵抗体として新たな部材を設置しても構わないし、既存の部材の流路の大きさを変更することで効果を実現しても構わない。この抵抗体による圧力損失の大きさは、中空糸膜モジュールの圧力損失の０．１倍から１０倍が好ましく、０．２倍から５倍がより好ましい。抵抗体による圧力損失が大きすぎると、例えば、濃縮流体の有する圧力からエネルギーを回収する場合、その回収エネルギーが少なくなることがある。また、抵抗体による圧力損失が小さすぎると、その効果が得られないことがある。
端部コネクターの圧損は小さいことが好ましい。特に、供給側端部コネクターの圧損は膜に作用する有効差圧に直接影響するため、必要最小限に留めることが好ましい。そのためには、供給流体、濃縮流体の流路の構造、大きさを、使用圧力から要求される耐久性、耐圧性を考慮して、流路長さは短く、流路断面積は大きく設定することが好ましい。例えば、海水淡水化用の逆浸透膜モジュールの場合は、流路長さは、中空糸膜エレメントの長さの１０％以内が好ましく、７％以下がより好ましい。流路断面積は、供給流体分配管の内径の断面積の２％以上が好ましく、４％以上がより好ましい。また、流体の急拡大、急縮小による圧力損失が生じないように滑らかな壁面構造を有するなどの工夫することが好ましい。

図１
本発明の中空糸膜モジュールの一例で、圧力容器に２つの中空糸膜エレメントを並列接続した場合の簡単な構成図を示す。
図２
本発明の中空糸膜モジュールの一例で、圧力容器に２つの中空糸膜エレメントを直列接続した場合の簡単な構成図を示す。
図３
本発明の中空糸膜モジュールからなる中空糸膜モジュール配列群の一例で、３本のみの部分の構成図を示す。
図４
本発明の中空糸膜モジュールからなる中空糸膜モジュール配列群の一例で、６本の中空糸膜モジュールから構成される場合の構成図の概略を示す。
図５
従来の中空糸膜モジュールからなる中空糸膜モジュール配列群の一例で、６本の中空糸膜モジュールから構成される場合の構成図の概略を示す。
図６
従来のスパイラル膜モジュールで、圧力容器の側面に供給水入口、濃縮水出口を有する場合の一例でモジュール内の液流れの模式図を示す。

符号の説明

１、１’：中空糸膜エレメント
２、２’：中空糸膜
３、３’：供給流体分配管
４ａ、４ｂ、４ａ’、４ｂ’：樹脂
５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’：中空糸膜開口部
６ａ、６ｂ、６ａ’、６ｂ’：透過流体収集部材
７、７’：内部管
８：圧力容器
９、９’：供給流体流路用ノズル
１０、１０’：濃縮流体流路用ノズル
１１、１１’：透過流体出口
１２：供給流体
１２’：下流の供給流体
１３：濃縮流体
１３’：上流の濃縮流体
１４、１４’：透過流体
１５：Ｖ−パッキン
１６：中間コネクター
１７：供給口
１８：供給側端部コネクター
１８’：濃縮側端部コネクター
１９：スパイラル逆浸透膜エレメントの供給水流入端
２０：スパイラル逆浸透膜エレメント
１０１：中空糸膜エレメント
１０２：中空糸膜モジュール
１０３：供給水用配管
１０４：濃縮水用配管
１０５：透過水用配管
１０６：透過流体
１０７：供給流体
１０８：濃縮流体
１０９：透過流体ヘッダ配管
１１０：供給流体ヘッダ配管
１１１：濃縮流体ヘッダ配管

以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。なお、実施例は、海水淡水化用の逆浸透膜の場合を示す。
本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は本発明の一例で、圧力容器に２つの両端開口型中空糸膜エレメントを並列配置に装着した場合で、供給流体流路用ノズルを２ケ、濃縮流体流路用ノズルを２ケ有する場合の簡単な構成図である。
本実施の形態にかかる中空糸膜エレメント１は、選択透過性を有する中空糸膜２を供給流体分配管３の周りに交差状に配置したものであり、両端部はエポキシ樹脂４ａ、４ｂで固定されており、両端部に中空糸膜開口部５ａ、５ｂを有する。この中空糸膜開口部５ａ、５ｂに、それぞれ透過流体収集部材６ａ、６ｂが設けられ透過流体はここで集約され、一方の端の透過流体は内部管７を通じてもう一方の透過流体収集部材６ａに集められる構造としたものが中空糸膜サブモジュールである。
供給流体１２が、供給流体流路用ノズル９から入り、一部の供給流体は供給側端部コネクター１８により中空糸膜エレメントへ供給される。ついで供給流体分配管３、中間コネクター１６を経由して中空糸膜エレメント１’に供給される。供給流体は供給流体分配管３を通りながら中空糸膜２へ円周方向の外側へ向けて供給され、一部の流体は中空糸膜２を透過し中空糸膜開口部５ａ、５ｂから、透過流体収集部材６ａ、６ｂと、内部管７を経て、透過流体出口１１より透過流体１４として取り出される。一方、中空糸膜２を透過しなかった濃縮流体は中空糸膜エレメント１と圧力容器８との間の流路を通じて濃縮流体流路用ノズル１０から濃縮流体１３として取り出される。濃縮流体はＶパッキン１５によりシールされているため、供給流体と混合することはない。
一方、中空糸膜エレメント１’内の流体の流れ、構造は基本的には中空糸膜エレメント１と同様である。２本の中空糸膜エレメント１、１’は中間コネクター１６で接続され、供給流体１２は、一部は中空糸膜エレメント１に供給され、残りはこの中間コネクター１６を通じて、中空糸膜エレメント１’に供給される。中空糸膜エレメント１、１’の濃縮流体はいずれも濃縮側端部コネクター１８’を通り、濃縮流体流路用ノズル１０から取り出される。中空糸膜エレメント１、１’の透過流体はそれぞれの透過流体出口１１、１１’から取り出される。なお、供給流体の一部は中空糸膜エレメントを通過せず、供給流体流路用ノズル９’から出ていく。また、濃縮流体は濃縮流体流路用ノズル１０’から流入してくる別の中空糸膜モジュールの濃縮流体と合流している。
この中空糸膜エレメント１、１’は円筒状の圧力容器８に収納されており、圧力容器８には供給流体流路用ノズル９、９’、濃縮流体流路用ノズル１０、１０’、透過流体出口１１、１１’が設けられている。中空糸膜モジュール配列群への供給流体が各中空糸膜モジュールにできるだけ均一に分配されるには、供給側端部コネクター１８および、濃縮側端部コネクター１８’が大きな圧損とならないような構造とすることや、圧損が小さい本発明の中空糸膜モジュールでは、供給流体流路用ノズルや、濃縮流体流路用ノズルの圧損に比べて中空糸膜モジュールの圧損が過小とならないように中空糸膜モジュールに適度な抵抗体を設けている。
図２には、図１と同様であるが、中空糸膜エレメントが直列接続で２本配置された場合を示している。個々の中空糸膜エレメント１、１’内の流体の流れ、構造は図１と基本的には同様であるが、２本の中空糸膜エレメント１、１’は中間コネクターで接続されておらず、Ｖ−パッキンで圧力容器の内壁とシールされている。供給流体１２は、すべて一旦は、中空糸膜エレメント１に供給され、その濃縮流体はすべて供給口１７を通じて、下流の中空糸膜エレメント１’に供給され、中空糸膜エレメント１’の濃縮流体は濃縮流体出口１０から取り出される。中空糸膜エレメント１、１’の透過流体はそれぞれの透過流体出口１１、１１’から取り出される。
図３には、図１に示した本発明の中空糸膜モジュールから中空糸膜モジュール配列群を構成した場合の３本の中空糸膜モジュールの流体の流れを示している。個々の中空糸膜モジュール内の流体の流れは図１の場合と同様である。この図の例では、各中空糸膜モジュールの下部の供給流体流路用ノズルから供給流体が流入し、一部は中空糸膜エレメントに供給され、残りの供給流体は上部の供給流体流路用ノズルから下流の中空糸膜モジュールの下部の供給流体流路用ノズルに供給される。一方、濃縮流体は、各中空糸膜モジュールの上部の濃縮流体流路用ノズルから濃縮流体が流入し、中空糸膜エレメントを通過した濃縮流体と合流して下部の濃縮流体流路用ノズルから下流の中空糸膜モジュールの上部の濃縮流体流路用ノズルに流れていく。
図４には、本発明における２本の中空糸膜エレメントを圧力容器に並列に装着した中空糸膜モジュールが６本で構成される中空糸膜モジュール配列群の一例を示す。

（中空糸膜の作製）
三酢酸セルロース（酢化度６１．４）４０重量部をエチレングリコール１８重量部及びＮ−メチル−２−ピロリドン４２重量部よりなる溶液を混合後昇温し製膜原液とした。この溶液を減圧下で脱泡した後、ノズルより空中走行部を経て１４℃の水６５重量部、エチレングリコール１０．５重量部、Ｎ−メチル−２−ピロリドン２４．５重量部からなる凝固液中に吐出させ中空糸を形成させた。その後、中空糸膜を常温で水洗し過剰の溶媒、非溶媒を除去した後、熱水で処理し三酢酸セルロース膜からなる中空糸型逆浸透膜を作製した。
得られた中空糸膜は外径が１３７μｍ、内径が５３μｍであった。この中空糸膜の脱塩性能を約１ｍの有効長さで測定したところ、透水量６１Ｌ／ｍ^２日、食塩除去率９９．８％であった。測定条件は、供給圧力５．４ＭＰａ、温度２５℃、食塩濃度３．５重量％、回収率２％以下であった。なお、食塩の除去率は下式で定義される。
除去率＝（１−（透過水中の溶質濃度／供給水中の溶質濃度））ｘ１００（％）
（中空糸膜エレメントの作製）
これらの中空糸膜を多孔管からなる供給流体分配管の周りに交差状に配置させ、中空糸膜の集合体を形成させた。この供給流体分配管の外径および内径はそれぞれ７２ｍｍおよび６５ｍｍであった。供給流体分配管をその軸を中心に回転させながら、中空糸膜の束をトラバースさせ、供給流体分配管の周りに捲きつけることにより中空糸膜が交差状に配置させた。最外層における中空糸膜は軸方向に対して約４７度の角度を有していた。この中空糸膜の集合体の両端部をエポキシ樹脂でポッティングし固定させた後、両端を切断して中空糸膜の中空孔を開口させ中空糸膜エレメントを作製した。その後、供給流体分配管の内側に内部管を通し、両端部に設置した透過流体収集部材を端部コネクターとともに固定して、中空糸膜サブモジュールを作製した。この内部管の外径および内径はそれぞれ２２ｍｍおよび１５ｍｍであった。この中空糸膜エレメントの中空糸膜の集合体の外径は２６０ｍｍ、中空糸膜の集合体の軸方向長さ、すなわち、開口端部間の軸方向の長さは１３１０ｍｍであった。また、中空糸膜の平均長さは１３８０ｍｍであった。
この中空糸膜サブモジュール２本を中間コネクターとともに圧力容器に装着して、図１に示すような並列配置の２本入り型中空糸膜モジュールを作製した。供給流体の濃縮流体への混入を防止するために、中空糸膜サブモジュールと圧力容器の内壁面との隙間にはＶパッキンを装着した。このＶパッキンの厚みは結合部が６．５ｍｍ、２股に開いた部分の厚みは各２ｍｍである。また、端部コネクターの供給流体および濃縮流体の流路は軸方向長さ６０ｍｍ、断面は、円周に沿った緩い曲線からなる幅１０ｍｍでスリット２ケを軸対称に設置したものとした。このスリットの断面積は１ケが３６１ｍｍ^２で、２ケで７２２ｍｍ^２、周長は１ケで８８ｍｍ、２ケで１７６ｍｍであった。供給圧力５．４ＭＰａ、温度２５℃、供給水食塩濃度３．５重量％、回収率３０％条件で逆浸透処理を実施した。その結果、透過水流量は７４ｍ^３／日で、食塩除去率は９９．５％であった。モジュールの供給水圧力と濃縮水圧力との差圧から求められるモジュール圧損は０．０７ＭＰａであった。膜モジュール内を流れる平均流量は、２１０ｍ^３／日であり、１００ｍ^３／日当りの圧力損失は０．０３３ＭＰａであった。また、個々の中空糸膜エレメントの透過水質の測定が可能であり、それぞれ、１７３ｍｇ／Ｌ、１７７ｍｇ／Ｌであった。

実施例１と同様に作製した中空糸膜モジュール６本から図４に示すような中空糸膜モジュール配列群を構成した。高圧仕様となる供給流体配管と濃縮流体配管の部分は中空糸膜モジュール間を接続する部分のみに限定された。高圧仕様の配管長さは、接続部分のみのため供給流体用は０．５ｍ、濃縮流体用は０．５ｍとなり、ヘッダ配管および枝管は必要がなかった。
（比較例１）
実施例１と同様に作製した中空糸膜を用い、特開平１０−２９６０５８号公報に開示してある方法に従い、供給流体流路用ノズルが圧力容器の端面に設置され、濃縮流体流路用ノズルが圧力容器の外周側面に１ヶ所設置されるモジュール６本を作製し、図５に示すような中空糸膜モジュール配列群を構成した。高圧仕様となる供給流体配管と濃縮流体配管の部分は各中空糸膜モジュールで必要になり、それらから高圧仕様のヘッダ配管を構成するため実施例２の図４の場合に比べて多くなった。高圧仕様の配管長さはヘッダ部を含めて、供給側は３．５ｍ、濃縮側は３ｍとなり、実施例２に比べてそれぞれ３ｍ、２．５ｍ多くなった。
（比較例２）
８インチ径のスパイラル膜エレメント６本を直列に配置したスパイラル膜モジュールについて実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した。その結果、透過水流量は７２ｍ^３／日で、食塩除去率は９９．５％であった。モジュールの供給水圧力と濃縮水圧力との差圧から求められるモジュール圧損は０．１５ＭＰａであった。膜モジュール内を流れる平均流量は、２０４ｍ^３／日であり、１００ｍ^３／日当りの圧力損失は０．０７４ＭＰａと、実施例１に比べて２倍以上と大きな値となり、膜に作用しないの圧力損失によるエネルギーが２倍以上となった。
なお、個々のスパイラル膜エレメントの透過水はサンプリングできないため、透過水水質の測定はできなかった。
（比較例３）
供給流体分配管の外径、内径がそれぞれ１４２ｍｍ、１３５ｍｍであること以外は、実施例１と同様の中空糸膜を用いて、実施例１と同様の外径の中空糸膜エレメントを作製した。その後、供給流体分配管の内側に内部管を通し、両端部に設置した透過流体収集部材を端部コネクターとともに固定して、中空糸膜サブモジュールを作製した。この内部管の外径および内径はそれぞれ１２５ｍｍおよび４０ｍｍであった。この中空糸膜エレメントの中空糸膜の集合体の外径は２６０ｍｍ、中空糸膜の集合体の軸方向長さ、すなわち、開口端部間の軸方向の長さは１３１０ｍｍであった。この中空糸膜サブモジュール２本を中間コネクターとともに圧力容器に装着して、実施例１と同様に並列配置の２本入り型中空糸膜モジュールを作製した。また、端部コネクターの供給流体および濃縮流体の流路は、実施例１と同様のものとした。実施例１と同様の条件で逆浸透処理を実施した。その結果、透過水流量は５５ｍ^３／日で、食塩除去率は９９．５％であった。モジュールの供給水圧力と濃縮水圧力との差圧から求められるモジュール圧損は０．１２ＭＰａであった。膜モジュール内を流れる平均流量は、１５６ｍ^３／日であり、１００ｍ^３／日当りの圧力損失は０．０８ＭＰａであった。また、個々の中空糸膜エレメントの透過水質はそれぞれ、１８３ｍｇ／Ｌ、１６７ｍｇ／Ｌであった。
供給流体分配管の外径が大きいため、中空糸膜エレメントに充填される中空糸膜本数が少なくなったこと、および、内部管の外径が大きく、供給流体分配管の内面との間で形成される流路が狭いため、圧力損失が大きくなり透過流量が少ないものであった。

少なくとも２本の中空糸膜エレメントからなる中空糸膜モジュールで供給流体が、中空糸膜エレメントの中心部の供給流体分配管に供給可能のため、少なくとも２本の中空糸膜エレメントが供給流体に対して並列配置として、膜モジュールの圧力損失を小さくでき、中空糸膜エレメントが２本の場合は、個々の膜エレメントの透過水が採水でき、個々の膜エレメントの性能管理が容易である。さらに、圧力容器の一方の端部近傍での外周側面に少なくとも２ケ所の供給流体流路用ノズルが、他方の端部の近傍での外周側面に少なくとも２ケ所の濃縮流体流路用ノズルを有しているため、高圧配管長の短い中空糸膜モジュール配列群を構成することが可能であり、産業界に寄与することが大である。

Claims

供給流体分配管を有する中空糸膜エレメントの両端部に透過流体収集部材を配した中空糸膜サブモジュールを圧力容器に装着した中空糸膜モジュールであって、
（ａ）該圧力容器の両端部に透過流体出口を有し、
（ｂ）該圧力容器の一方の端部近傍の外周側面に少なくとも２ケ所の供給流体流路用ノズルを有し、
（ｃ）該供給流体流路用ノズルが供給流体分配管と連通し、
（ｄ）該圧力容器の他方の端部の近傍の外周側面に少なくとも２ケ所の濃縮流体流路用ノズルを有していることを特徴とする中空糸膜モジュール。
供給流体分配管を有する中空糸膜エレメントにおいて、該供給流体分配管の周りに選択透過性を有する中空糸膜が配置され、該中空糸膜の両端部が樹脂で接着固定された後、両端が切断され中空孔が開口していることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
供給流体分配管の内側に内部管を有することを特徴とする請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール。
供給流体分配管の周りに中空糸膜が交差状に配置されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
圧力容器内に少なくとも２本の中空糸膜エレメントを有することを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の中空糸膜モジュール。
供給流体が少なくとも２本の中空糸膜エレメントに並列に供給される並列配置であることを特徴とする請求項５記載の中空糸膜モジュール。
供給流体が少なくとも２本の中空糸膜エレメントに直列に供給される直列配置であることを特徴とする請求項５記載の中空糸膜モジュール。
中空糸膜が逆浸透膜であることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
中空糸膜がガス分離膜であることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の中空糸膜モジュール。
請求項１〜９いずれかに記載の中空糸膜モジュールが複数本数から構成される中空糸膜モジュール配列群であって、中空糸膜モジュールの圧力容器の一方の供給流体用流路ノズルが供給流体に対して上流の中空糸膜モジュールの供給流体用流路ノズルと連通し、他方の供給流体用流路ノズルが供給流体に対して下流の中空糸膜モジュールの供給流体用流路ノズルに連通しており、また、中空糸膜モジュールの圧力容器の一方の濃縮流体用流路ノズルが濃縮流体に対して上流の中空糸膜モジュールの濃縮流体用流路ノズルに連通し、他方の濃縮流体用流路ノズルが濃縮流体に対して下流の中空糸膜モジュールの濃縮流体用流路ノズルに連通していることを特徴とする中空糸膜モジュール配列群。