JPWO2013183553A1 - 分離膜ユニットおよびこれを用いた造水方法 - Google Patents

Abstract

分離膜ユニットの汚染を防止し、メンテナンス時間や労力を低減しつつ、分離膜の性能を十分に発揮するようにした分離膜ユニットおよび造水方法を提供する。複数の分離膜サブユニット（１１ａ〜ｃ）は、原水供給弁Ｗ（１０ａ〜ｃ）を備えた原水ラインＡ（９ａ〜ｃ）、排水弁Ｘ（１３ａ〜ｃ）を備えた排水ラインＢ（１２ａ〜ｃ）、第１の原水連通弁Ｙ（１７ａ〜ｃ）を備えた原水ラインＣ（１６ａ〜ｃ）、第２の原水連通弁Ｚ（２０ａ〜ｃ）を備えた原水ラインＤ（１９ａ〜ｃ）、透過水ラインＥ（２１ａ〜ｃ）と連通し、原水ラインＡと排水ラインＢは連通し、原水ラインＣと原水ラインＤは連通し、原水ラインＡは原水幹配管７に連通し、排水ラインＢは排水幹配管１４に連通し、原水ラインＣと原水ラインＤは集合配管１８に連通し、透過水ラインＥは透過水幹配管２２に連通することを特徴とする。

Description

本発明は、被処理水中に存在している成分を分離除去するための分離膜ユニットとこれを用いた造水方法に関する。

近年、気体分離膜、逆浸透膜、ナノ濾過膜、限外濾過膜、精密濾過膜等、様々な分離膜を用いた流体分離技術は、高精度で省エネルギーの処理プロセスとして注目され、各種流体処理への適用が進められている。たとえば、逆浸透膜を用いた逆浸透分離法では、塩分等の溶質を含んだ溶液を該溶液の浸透圧以上の圧力で逆浸透膜を透過させることで、塩分等の溶質の濃度が低減された液体を得ることが可能であり、例えば海水やかん水の淡水化、超純水の製造、有価物の濃縮回収など幅広く用いられている。

これらの分離膜を効率的に運用するに当たって、最も大きな問題がファウリングと呼ばれる膜表面の汚染である。これは、被処理水に含有する不純物質が膜の表面や分離膜の流路に堆積もしくは吸着して、分離膜の性能を低下させるものである。これを防止するために、フィルターなどで前処理を行って、不純物質を予め除去しておいたり、不純物質が堆積しにくいように分離膜モジュール流路に乱流を起こしたりするといった工夫がなされており、それでも汚染した場合には、薬液で洗浄するなどして回復させる方法が適用されている。しかし、前処理が不十分であったり、不純物が多量に含まれていたりすると、ファウリング原因物質の分離膜への侵入を防げない場合が多々ある。また、薬液洗浄は、一般に運転を停止する必要があり、薬液コスト、薬液による分離膜の劣化などを考慮すると、なるべく実施しないことが好ましい。そこで、薬液洗浄に至る前に、被処理原水や透過水を膜の原水側に高流速で流すフラッシング、膜の透過側から逆圧力をかけて透過水を膜の原水側に逆流させて付着ファウリング物質を浮き上がらせて除去する逆圧洗浄といった物理洗浄と呼ばれる手法が適用されていることが多い。

また、分離膜は、平膜、管状膜、中空糸膜など様々な形態を有するが、平膜の場合、スパイラル型分離膜エレメントという形態で用いられることが多い。従来のスパイラル型分離膜エレメントの構造としては、たとえば特許文献１や図２に示すように、分離膜２４、供給側流路材２６及び透過側流路材２５の積層体の単数または複数が、有孔の中心管２７の周りに巻きつけられ、その両端側にテレスコープ防止板２８を設置したものが知られている。

この分離膜エレメントは、被処理水（原水）２９が一端面より供給され、被処理水２９ａが供給側流路材２６に沿って流動しながら成分の一部（例えば、海水淡水化の場合は水）が分離膜２４を透過することにより分離される。その後、分離膜を透過した成分（透過水３０ａ）は、透過側流路材２５に沿って中心管２７へと流動して、その側面の孔から流入し、中心管２７内を流動し、分離膜エレメントの他端面より透過水３０として取り出される。一方、供給側流路材２６に沿って流れ続け、非透過成分（海水淡水化の場合は塩分）を高濃度に含有する処理水は、分離膜エレメントの他端面より濃縮水３１として取り出される。このような分離膜エレメントは、被処理水の流路が均一に配置され、偏流が生じにくいという利点を持っているが、前処理が不十分だった場合、被処理水２９が供給される端面にファウリング物質が蓄積しやすいという問題点を有している。とくに、スパイラル型分離膜エレメントは、図３に例示するように、通常複数の分離膜エレメント３３ａ〜３３ｆを直列して、１つの筒状圧力容器４０に装填して用いることが多いが、この場合、上述のファウリングは、先頭の分離膜エレメント３３ａで顕著に生じる。さらに、海水淡水化の場合は、浸透圧の影響によって、濃度の低い先頭の分離膜エレメントでは透過流束が大きく、膜面にファウリング物質が運ばれやすいため、ファウリングを促進する。一方、濃縮に伴って浸透圧が上昇した最後方の分離膜エレメント３３ｆでは、透過流束が小さいため、ファウリングも起こりにくい。逆に、後方の分離膜エレメントは、透過によって被処理水の流量が減少して膜面のフラッシング効果が低下するため、一度膜面にファウリング物質が蓄積すると、膜面から剥がすのが困難という特性も有している。

また、被処理水の流量を維持するために、図１０に示すように、複数の分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃをツリー上に構成して流量減少に見合うように、後方の膜エレメント１１ｃの数を減らすことで、分離膜サブユニットに供給される流量を維持させる方法を採用することも少なくない。なお図１０において、被処理水５３は、並列に配置された分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂに供給され、それぞれから排出された濃縮水が下流の分離膜サブユニット１１ｃに供給される。各分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃから得られた透過水５４は、合流して使用に供され、分離膜サブユニット１１ｃから排出された濃縮水５５は、バルブ５６を通して系外に排出される。

以上の課題や特性を鑑み、例えば、特許文献１に示すように、定期的に濃縮水の出口から透過水を供給し、被処理水と逆方向にフラッシングする方法が提案されている。これによって、分離膜エレメント端部に蓄積したファウリング物質を逆側からの水力で除去するとともに、運転中の被処理水流量が減少して、膜面のフラッシング効果が小さくなっている後方の分離膜エレメントに蓄積したファウリング物質を除去することが可能となる。さらに、特許文献２に示されるように運転中に被処理水の流れる方向を逆にすることで、運転停止時間をほとんど生じさせることなく、分離膜面に蓄積したファウリング物質を除去する方法が提案されており、これは、特許文献３に示されるように、複数の分離膜サブユニットをツリー上に構成する場合にも適用されている。

しかし、これらの方法は、ファウリング物質を除去するため運転を停止する必要があり、またメンテナンス時間や労力が必要であるため、稼働時間をより高いレベルで維持しながら、ファウリングをより効率的に防止することが求められていた。

国際公開第２００９／１２８３２８号 日本国特開２００４−１４１８４６号公報 日本国特開２００４−２６１７２４号公報

本発明は、分離膜ユニットの汚染を防止し、メンテナンス時間や労力を低減しつつ、分離膜の性能を十分に発揮するようにした分離膜ユニットおよびこれを用いた造水方法を提供する。

前記課題を解決するために、本発明は次の（１）〜（８）の構成からなる。
（１） 複数の分離膜エレメントが筒状圧力容器内に装填された少なくとも１つの分離膜モジュールからなる分離膜サブユニットを複数備えた分離膜ユニットであって、それぞれの分離膜サブユニットは、原水供給弁Ｗを備えた原水ラインＡと、排水弁Ｘを備えた排水ラインＢと、第１の原水連通弁Ｙを備えた原水ラインＣと、第２の原水連通弁Ｚを備えた原水ラインＤと、透過水ラインＥと連通し、それぞれの分離膜サブユニットにおいて、原水ラインＡと排水ラインＢとは連通し、原水ラインＣと原水ラインＤとは連通し、それぞれの原水ラインＡは原水幹配管に連通し、それぞれの排水ラインＢは排水幹配管に連通し、それぞれの原水ラインＣおよび原水ラインＤは集合配管に連通し、それぞれの透過水ラインＥは透過水幹配管に連通していることを特徴とする分離膜ユニット。

（２） 前記分離膜エレメントが、分離膜を流路部材とともに巻回された膜巻体の外周が外装体で覆われ、膜巻体及び外装体の少なくとも片端にテレスコープ防止板が設けられ、少なくとも１つのテレスコープ防止板の外周に、分離膜エレメントを筒状圧力容器内で実質的に両方向に移動可能せしめる原水シール部材が設けられてなるスパイラル型の分離膜エレメントであることを特徴とする（１）に記載の分離膜ユニット。

（３） 原水ラインＣから系外に排出する配管、および／または、原水ラインＤから系外に排出する配管をさらに備えた（１）または（２）に記載の分離膜ユニット。

（４） 原水ラインＣおよび原水ラインＤに連通する集合配管において昇圧ポンプを有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の分離膜ユニット。

（５） 排水幹配管において圧力エネルギー回収ユニットを有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の分離膜ユニット。

（６） 上記(１）〜（５）のいずれかに記載の分離膜ユニットを用いて透過水を得る造水方法であって、複数の分離膜サブユニットのうちの一部の分離膜サブユニット（Ｍ）において、原水供給弁Ｗと第２の原水連通弁Ｚを全閉にし、かつ、排水弁Ｘと第１の原水連通弁Ｙを開にするとともに、残りの分離膜サブユニット（Ｎ）において、原水供給弁Ｗと第２の原水連通弁Ｚを開にし、かつ、排水弁Ｘと第１の原水連通弁Ｙを全閉にすることで、原水を原水幹配管および分離膜サブユニット（Ｎ）の原水ラインＡを介して分離膜サブユニット（Ｎ）に供給し、分離膜サブユニット（Ｎ）の透過水ラインＥから透過水幹配管を介して透過水を取り出しつつ分離膜サブユニット（Ｎ）の原水ラインＤから中間濃縮水を取り出し、この中間濃縮水を、集合配管を介して分離膜サブユニット（Ｍ）の原水ラインＣから分離膜サブユニット（Ｍ）に供給し、分離膜サブユニット（Ｍ）の透過水ラインＥから透過水幹配管を介して透過水を取り出しつつ分離膜サブユニット（Ｍ）の排水ラインＢから排水幹配管を介して濃縮水を取り出すことを特徴とする造水方法。

（７） 分離膜サブユニット（Ｎ）を複数の分離膜サブユニットのうちで順に変更することを特徴とする（６）に記載の造水方法。

（８） 分離膜サブユニット（Ｍ）における分離膜の総膜面積が、分離膜サブユニット（Ｎ）における分離膜の総膜面積よりも小さいことを特徴とする請求項（６）または（７）に記載の造水方法。

本発明によって、分離膜エレメントを少なくとも２つの系列にサブユニット化し、先頭に位置する一部の分離膜サブユニット（Ｎ）から取り出した中間濃縮水を、他の分離膜サブユニット（Ｍ）に供給方向を逆向きにして供給するとともに、原水を最初に供給する分離膜エレメント（Ｎ）を順番に変更するすようにしたので、分離膜ユニットの運転停止が、まったく、もしくは、ほとんど必要とせずに、分離膜ユニットの汚染を抑制することができる。また分離膜をバランスよく使用できるとともに高い稼働率を維持しつつ、ファウリングを効果的に防止できるようになる。このためスパイラル型分離膜エレメント用いた分離膜ユニットの汚染を防止し、メンテナンス時間や労力を低減しつつ、分離膜の性能を十分に発揮する分離膜ユニットおよびこれを用いた造水方法を提供可能にする。

図１は、本発明に係る分離膜ユニットを含む造水装置の実施形態の一例を示すフロー図である。 図２は、本発明を構成するスパイラル型分離膜エレメントの実施形態の一例を示す部分破断斜視図である。 図３は、本発明を構成する分離膜サブユニットとして、複数のスパイラル型分離膜エレメントを筒状圧力容器に装填した分離膜モジュールの一例を示す断面図である。 図４は、テレスコープ防止板にＵ−カップシールが装着された分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｕ−カップシール装着部分近傍を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。 図５は、テレスコープ防止板にＯ−リングシールが装着された分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｏ−リングシール装着部分近傍を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。 図６（ａ）は、スプリットリング状の非弾性材製シール部材の一例を模式的に示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるｂ−ｂでの断面図である。 図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、スプリットリング状のシール部材のスプリット部の形状を示す例である。 図８は、本発明に係る分離膜ユニットを含む造水装置の実施形態の他の一例を示すフロー図である。 図９は、本発明に係る分離膜ユニットを含む造水装置の実施形態の更に他の一例を示すフロー図である。 図１０は、複数のサブユニットをツリー上に構成し、後部膜エレメントを減少させた分離膜ユニット構成を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれら図面に示す実施態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の分離膜ユニットを含む造水装置の実施形態の一例を示すフロー図である。

図１において、原水１は、原水タンク２に供給された後、原水供給ポンプ３で取水され、必要に応じて、前処理ユニット４で処理した後、前処理水槽５に貯留される。前処理された水は、昇圧ポンプ６によって原水幹配管７を通って分離膜ユニット８に供給される。分離膜ユニット８は、複数の分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃからなり、それぞれの分離膜サブユニットに原水ラインＡ（９ａ，９ｂ，９ｃ）、排水ラインＢ（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）、原水ラインＣ（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）、および原水ラインＤ（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）が連通する。

原水ラインＡ（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、原水幹配管７と分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃの入出水口の一方の端部（原水供給口）との間を接続し、それぞれ原水供給弁Ｗ（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を備える。また原水ラインＡ（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、排水ラインＢ（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）とそれぞれ連通する。排水ラインＢ（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）は、原水ラインＡ（９ａ，９ｂ，９ｃ）と排水幹配管１４との間を接続し、それぞれに排水弁Ｘ（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）を備える。排水幹配管１４には、圧力エネルギー回収ユニット１５を配置することができる。

それぞれの分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃにおいて、原水ラインＡが接続する原水供給口とは反対側の入出水口の端部（濃縮水排出口）に、原水ラインＣおよび原水ラインＤが接続する。原水ラインＣおよび原水ラインＤは、分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃの濃縮水排出口側で分岐し、かつそれぞれの他方の端部が、集合配管１８を介して連通する。すなわち原水ラインＣ（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）は、集合配管１８の一方の端部と分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃとの間を接続し、原水ラインＤ（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）は、集合配管１８の他方の端部と原水ラインＣとの間を接続する。原水ラインＣ（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）は、それぞれに第１の原水連通弁Ｙ（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）を備える。また原水ラインＤ（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）は、それぞれに第２の原水連通弁Ｚ（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）を備える。

さらに、分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、透過水の取出口に透過水ラインＥ（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を接続し、透過水幹配管２２を介して透過水タンク２３に連通する。

続いて、図１に例示する本発明の分離膜ユニットを含む装置を用いた造水方法について説明する。図１で例示した実施形態は、原水を最初に一部の分離膜サブユニット（Ｎ）に供給・処理し、分離膜サブユニット（Ｎ）から取り出した中間濃縮水を他の分離膜サブユニット（Ｍ）に供給・処理するものである。図示の例では、一部の分離膜サブユニット（Ｎ）を分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂ、他の分離膜サブユニット（Ｍ）を分離膜サブユニット１１ｃとして、各弁の開閉（開状態が白、全閉状態が黒）、並びに原水、中間濃縮水、濃縮水および透過水の流れ方向を矢印で示した。

先ず上述した通り、原水１は、原水タンク２に供給された後、原水供給ポンプ３で取水され、必要に応じて、前処理ユニット４で処理した後、前処理水槽５に貯留される。原水または前処理水は、昇圧ポンプ６によって加圧され、原水幹配管７から分離膜ユニット８に供給される。分離膜ユニット８においては、分離膜サブユニット（Ｎ）の原水供給弁Ｗ（１０ａ，１０ｂ）を開、分離膜サブユニット（Ｍ）の原水供給弁Ｗ（１０ｃ）を全閉（図中、弁は開状態が白、全閉状態が黒）、分離膜サブユニット（Ｎ）の排水弁Ｘ（１３ａ，１３ｂ）を全閉、分離膜サブユニット（Ｍ）の排水弁Ｘ（１３ｃ）を開とし、前処理水を分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂに供給し処理する。これら分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂからなる一部の分離膜サブユニット（Ｎ）を第１系列として使用する。分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂで処理された透過水は、透過水ラインＥ（２１ａ，２１ｂ）を通して、透過水幹配管２２から透過水タンク２３に貯留される。

一方、分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂから取り出された濃縮水は、第１の原水連通弁Ｙ（１７ａ，１７ｂ）を全閉、第２の原水連通弁Ｚ（２０ａ，２０ｂ）を開にすることにより、原水ラインＤ（１９ａ，１９ｂ）から、集合配管１８に通す。同時に分離膜サブユニット１１ｃの第２の原水連通弁Ｚ（２０ｃ）を全閉、第１の原水連通弁Ｙ（１７ｃ）を開にすることによって、集合配管１８の中間濃縮水を原水ラインＣ（１６ｃ）を通って、分離膜サブユニット１１ｃに供給し処理する。このように分離膜サブユニット１１ｃで構成される他の分離膜サブユニット（Ｍ）を第２系列として使用する。分離膜サブユニット１１ｃで処理された透過水は、透過水ラインＥ（２１ｃ）、透過水幹配管２２を通して、透過水タンク２３に貯留される。分離膜サブユニット１１ｃの濃縮水は、排水ラインＢ（１２ｃ）、排水幹配管１４を通って排水される。なお、排水が圧力エネルギーを十分に有している場合は、必要に応じてエネルギー回収ユニット１５に連通させることが出来る。

本発明の造水方法においては、原水供給弁Ｗ、排水弁Ｘ、第１の原水連通弁Ｙおよび第２の原水連通弁Ｚを切り替えることによって、第１系列および第２系列を構成する分離膜サブユニット（すなわち一部の分離膜サブユニット（Ｎ）および他の分離膜サブユニット（Ｍ））を適宜選択し切り替えることが可能である。具体的には、上述の造水条件（運転モード）以外にも表１に示すように、弁操作をすることで、第１系列と第２系列の役割を果たす分離膜サブユニットを切り替え可能である。このとき、第２系列の分離膜サブユニットでは、第１系列の分離膜サブユニットでの被処理水（原水）の流れ方向と逆方向に、被処理水（中間濃縮水）が流れることになる。このように被処理水の逆流よって、第２系列の分離膜サブユニットの中で分離膜エレメント端面、流路材、分離膜の表面などに蓄積した汚濁物質を効率的に除去することが可能となる。

表１に示す運転モードの切り替えについては、第２系列として運転していた分離膜サブユニットをまず処理系から切り離し後、第１系列として運転再開し、その後、第１系列として運転していた分離膜サブユニットの一系列を運転停止して、第２系列として運転再起動することで切り替え完了となる。

上記切り替えには順番や実施時間など適宜決定することが出来る。ただし、第１系列の分離膜サブユニットと第２系列の分離膜サブユニットとでは、第１系列の分離膜サブユニットの被処理水の流量が多いので、第１系列を構成する分離膜サブユニットの数を多くすることが好ましい。具体的には、表１の運転モード１〜３を順次切り替えていくことが好ましい。さらに、モード１〜３に加えて、モード４〜６を短時間組み込むことで、分離膜サブユニットに流れる流量に増減の変化をつけることが出来、好ましい実施態様である。

図１は、分離膜サブユニットの数が３の場合を示しているが、分離膜サブユニットの数は、３以上であればその数に制限はなく、処理流量、分離膜の特性、運転条件に応じて適宜決定することが出来るが、運転に当たっては、上述の通り、第１系列の数が第２系列よりも多い方が好ましい。すなわち、第２系列の分離膜サブユニット（Ｍ）を構成する分離膜の総膜面積が、第１系列の分離膜サブユニット（Ｎ）を構成する分離膜の総膜面積よりも小さくすることが好ましい。

本発明に適用可能な分離膜サブユニットとしては、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、さらには、ろ布など特に制約はない。膜の形状としても、中空糸膜や平膜、さらに、膜モジュールの形状としても、竪型、横型のいずれでも問題なく、さらに、中空糸膜型、プレート＆フレーム型、プリーツ型、スパイラル型など適宜選択することが可能である。特に、スパイラル型の場合は、分離膜を海苔巻き状にした形状で、とくに本発明に適している。これらの分離膜モジュールの１種類もしくは複数種類、さらに１つもしくは複数のモジュールで分離膜サブユニットを構成することが出来る。

スパイラル型モジュールの場合は、図２に部分破断斜視図を例示するようなスパイラル型分離膜エレメントを圧力容器に装填して用いる。スパイラル型の分離膜エレメント３３は、分離膜２４、供給側流路材２６、および透過側流路材２５が積層状態で、有孔の中心管２７の周囲にスパイラル状に巻回され、その分離膜巻回体の両端にテレスコープ防止板２８が設置されている。分離膜２４は端部が封止されて、被処理水（原水）２９ａと透過水３０ａの混合を防止している。

分離膜２４は平膜状の分離膜であって、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ガス分離膜、脱ガス膜などが使用できる。供給側流路材２６には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。透過側流路材２５には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。いずれも、分離膜と独立したネットやシートでも構わないし、接着や融着するなどして一体化したものでも差し支えない。

テレスコープ防止板２８は、分離膜巻回体が通過する流体の圧力により筒状に変形すること（テレスコープ現象）を防止するために設置された、空隙を有する板状物であり、外周側にはシール材を装填するための周回溝を有していることが好ましい。テレスコープ防止板２８は変形防止の機能を有すれば、その材質は特に制約はない。ただし、用途に応じて、耐薬品性や耐熱性などが必要になる場合は、要求仕様に応じて適宜選択することが可能である。一般には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂などの樹脂材が好適である。また、このテレスコープ防止板２８は、原水の流れをなるべく妨げずに強度を維持する目的から、外周環状部と内周環状部と放射状スポーク部とを有するスポーク型構造であることが好ましい。

中心管２７は、管の側面に複数の孔を有するものであり、中心管２７の材質は、樹脂、金属など何れでもよいが、コスト、耐久性を鑑みて、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ＡＢＳ樹脂等のプラスチックが通常使用されることが一般的である。

分離膜２４の端部を封止するための手段としては、接着法が好適に用いられる。接着剤としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、ホットメルト接着剤等、公知の何れの接着剤も使用することができる。

また、スパイラル型分離膜エレメントは、分離膜巻回体の外周部が外装材により拘束されて拡径しない構造になっていることも好ましい。外装材は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルなどからなるシートや、硬化性樹脂を塗ったガラス繊維などからなるもので、分離膜巻回体の外周表面に、かかるシートや繊維を巻回して分離膜エレメントが拡径しないように拘束する。

図２に例示したようなスパイラル型の分離膜エレメント３３を、図３に断面図を例示するような筒状圧力容器４０に一つもしくは複数装填して、分離膜モジュール５７を構成する。図３では、３３ａ〜３３ｆがそれぞれ図２に示す分離膜エレメントを示している。被処理水（原水）は、被処理水供給口３２（逆流するときは３４）から供給され、第１の分離膜エレメント３３ａの端部に供給される。第１の分離膜エレメントで処理された濃縮水は、第２の分離膜エレメント３３ｂに供給されその後、順次３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆに供給、処理された後、最終的に濃縮水排出口３４（逆流するときは３２）から排出される。それぞれの分離膜エレメント３３ａ〜３３ｆの中心管は、それぞれコネクター３５で連接されるとともに、端板３６ａ，３６ｂに設けられた透過水取出口３７ａ，３７ｂに接続されており、それぞれの分離膜エレメントで得られた透過水が集められ、系外に取り出される。

なお、図３では、被処理水供給口３２（逆流するときは３４）と濃縮水排出口３４（逆流するときは３２）が、端板３６ａと３６ｂに備えられているが、耐圧容器胴部３８の端板近傍（すなわち、被処理水供給口３２が端板３６ａと第１の分離膜エレメント３３ａの間、濃縮水排出口３４が端板３６ｂと最終分離膜エレメント３３ｆの間）に備えられていても差し支えない。

それぞれの分離膜エレメント３３ａ〜３３ｆは、テレスコープ防止板２８部分に原水シール部材３９ａ１，３９ａ２，３９ｂ１〜３９ｅ２，３９ｆ１，３９ｆ２が備えられ、それぞれの分離膜エレメントの被処理水と濃縮水が隔離されている。なお、この図では、それぞれの分離膜エレメント３３ａ〜３３ｆの両側に原水シール部材が備えられているが、片側（すなわち、３９ａ１〜３９ｆ１もしくは３９ａ２〜３９ｆ２）だけに備えることも可能である。両方備えた方がシール性は向上するが、装填、取り出し時に困難度が増すこと、また、シール部材間（例えば、３９ａ１と３９ａ２の間）にデッドスペースを生じやすくなるため、例えば、ジュースの濃縮など濃縮水が汚染されることが問題となる場合は、好ましくない。

さらに、本発明では分離膜サブユニットの被処理水供給口が符号３２と３４との出入口で切り替わるため、被処理水の流れ方向が逆向きにできる構造になっていることが好ましい。一般には、被処理水を供給する流れ方向が一方向であるため、シール部材としてＵ−カップリングシールもしくはＶ−カップリングシールが考案され広く使用されている。このＵ−カップリングシールは、弾性樹脂を用い、Ｕ字状の開いた部分が被処理水を供給する側（原水側）に向くように分離膜エレメントのテレスコープ防止板にセットされている。このＵ−カップシールは、原水側から水が供給された時に、その水圧でＵ字が開き、Ｕ−カップシールと圧力容器との隙間を埋める構造になっている。Ｖ−カップリングシールも同様である。

図４は、分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｕ−カップシール４４がテレスコープ防止板の外周部４２の周回溝に嵌着され、テレスコープ防止板の外周面４３と筒状圧力容器の内壁４１との間でシールする状態を示すものであって、Ｕ−カップシール装着部分の近傍を拡大して模式的に示す拡大断面図である。図４において、Ｕ−カップシール４４は、圧力容器の内壁４１との接触面積は比較的小さいが、前述したとおり、被処理水（原水）の上流から下流（図４の矢印Ｆで示すように左から右への方向）に流れる水に対してはシール機能が発揮される。また、圧力容器内で分離膜エレメントを移動させる場合は、図４の左から右に摺動させれば、比較的小さな抵抗で移動させることが可能である。しかしながら、分離膜エレメントを右から左に移動させるのは難しい。本発明では、被処理水を両側から供給できるようにしなければならないため、Ｕ−カップシールやＶ−カップシールはあまり適していない。

一方、従来技術として、Ｏ−リングシールを使用する場合もあり、テレスコープ防止板の外周側の周回溝に嵌着されたＯ−リングシールが、圧力容器の内壁と接触し、Ｏ−リングシールがつぶれて変形することで、分離膜エレメントと圧力容器内との隙間を埋めているため、両側からの被処理水の供給に対して、良好なシール性を発揮することが出来る。図５は、分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｏ−リングシール４５がテレスコープ防止板２８の外周部４２に形成された外周溝に嵌着され、テレスコープ防止板の外周面４３と圧力容器の内壁４１との間でシールする状態を示すものであって、Ｏ−リングシール装着部分の近傍を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。図５において、Ｏ−リングシール４５は、圧力容器の内壁４１と圧接している部分において変形し、圧力容器の内壁４１との接触面積が大きくなっている。さらに、Ｏ−リングシール４５は弾性樹脂で構成されているので圧力容器の内壁４１との摺動摩擦が大きいため、分離膜エレメントの移動が容易でないという欠点を有している。

Ｏ−リングシールとＵ−カップシールの欠点を解決する方法として、例えば、図６に示すようなスプリットリング状のシール部材（以下、「スプリットリングシール」ということがある。）を用いることが好ましい。スプリットリングシール４６は、国際公開第２０１１／０４６９４４号に記載されている。スプリットリングシール４６は、環状シールが１箇所以上で切断・分割された如き形状を有するものである。例えば、図６（ａ）（平面図）に示すようにスプリット部が１箇所存在するものが好ましいが、環状シールが２箇所で切断・分割された如き半円弧状スプリットリングシールを２つ用いてもよい。スプリットリングシールの横断面形状は、特に限定されるものでは無いが、テレスコープ防止板２８の外周部に形成された周回溝に収まり、移動しない構造であればよく、例えば、図６（ｂ）（図６（ａ）の矢視ｂ−ｂでの断面図）に示すように略四角形でもよいし、略多角形でもよい。また、スプリットリングシールの外周部の長さ（外周長）は、そのスプリットリングシール４６のスプリット部４７を繋げて環状にした時の外周直径４９が、圧力容器の内壁の直径サイズよりも少し大きくなるように設計し、実際に分離膜エレメントのテレスコープ防止板に装着して圧力容器内に装填された時には、そのスプリット部の隙間が縮まり、スプリットリングシールが圧力容器の内壁と密接する構造となるようにする。また、スプリットリングシールの内周部長さ（内周長）は、そのスプリットリングシール４６のスプリット部４７を繋げて環状にした時に、テレスコープ防止板の外周部の周回溝内に、隙間無く収まる大きさであれば良い。スプリットリングシール４６の大きさは、エレメントの外径や材質等により最適化すればよいが、例えば、シールの径方向幅（即ち、外周直径４９と内周直径４８との差の半分）が５〜１０ｍｍ程度、シールの厚み３〜１０ｍｍ程度を採用することができる。

このようなスプリットリングシール４６は図６（ｂ）に示すように断面形状が矩形であるため、摺動面とシール部材が並行もしくは両方向対称に接触することができ、これによって、分離膜モジュール５７の両側（３２，３４）から被処理水を供給することが可能となり、しかも、スパイラル型分離膜エレメントを筒状圧力容器内に装填する時も、また、分離膜エレメントを圧力容器から抜き取る時も、容易に分離膜エレメントを圧力容器内で移動させることができるようになる。

本発明に適用可能な原水シール部材の特性としては、分離膜エレメントのどちらから被処理水を供給しても十分なシール性を発現することができる。このような特性を有する原水シール部材の形状としては、前述のスプリットリング状、もしくはシール接触面がとがった、すなわち、断面がたとえば三角形になっているデルタリング状や、断面がＯ状ではなく凸レンズ状、また、接触面が凹凸を保った波板状が適用可能である。さらに、摺動性の問題はあるもののＯ−リング状も適用することは可能ではある。Ｏ−リングやデルタリングなどの場合、弾性材製シール部材を用いるとシール製が高くなるため好ましいが、摺動性が損なわれやすいため、注意が必要である。摺動性を重視するため、弾性材製シール材で一般に考慮する潰し代（弾性材を用いたＯ−リングなどで密着性を上げるため、使用時に圧縮変形させる割合）を小さくすることが重要である。具体的には、通常８〜３０％とされている潰し代を、１０％以下、より好ましくは５％以下にすることによって、圧力容器内での良好な摺動性を保つことが可能となるが、高い精度が必要となるため、適用に当たっては、注意が必要である。

スプリットリングシールにおけるスプリット部の形状は、特に限定されるものではないが、一例として、図７に示すように、シール長手方向に直角に切断した形状（図７（ａ））、シール長手方向に対し斜めに切断した形状（図７（ｂ））、シール長手方向に対し階段状に切断した形状（図７（ｃ））が挙げられる。

特に、シール長手方向に対し斜めに切断した形状（図７（ｂ））、シール長手方向に対し階段状に切断した形状（図７（ｃ））のスプリットリング端部を有するスプリットリングシールを用いた時には、実際に被処理流体が圧力容器内を流れる際の圧力でもってスプリットリング端部同士が押し付けられ、スプリットリング端部の隙間がほとんど無い状態となる。この結果、スプリット端部同士の接合部分でもシール効果はほぼ保たれ、被処理流体が分離膜エレメントの外側をバイパスする量はかなり少なく、効率的な水処理を行うことができる。

スプリットリングシールを、分離膜エレメントのテレスコープ防止板の外周部に装着した後、そのスプリット部どうしは単に接触するように配置することでもよいし、スプリット部どうしを接合しても良い。その際の接合の方法としては、熱融着接合や接着剤を用いる強固な接合でも良いし、スプリットリングシールのスプリット部の一片と他方とが凹凸嵌合により組み合わさった接合でもよい。スプリット端部同士を凹凸嵌合させて接合することで、取り扱い時の衝撃でスプリットリングシールの脱落を阻止することができる。

スプリットリングシールを、テレスコープ防止板の外周に装着するにあたって、1もしくは複数のシール部材を装着してもよい。複数個のシール部材を装着する場合は、スプリット部の位置を相互に異なる位置にすることが好ましく、これにより原水が分離膜エレメントの外側を通り抜ける量をより少なくすることができる。

スプリットリングシールを構成する素材は、非弾性体、弾性体のいずれでもよく、好ましくは非弾性材を用いるのがよい。非弾性体を構成する有機材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレンを始めとする、様々な硬質プラスチックを用いることができ、無機材料としても、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム、チタンやそれらの合金を使うこともできれば、セラミック、黒鉛、石綿も用いることができるし、また、ＦＲＰなどのように有機無機複合体や以上の素材の複層品を用いることも可能である。

弾性体としては、特に制約はなく、ニトリルゴム、スチロールゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴムなど、一般に多用されるシール材を用いることができる。

なお、これらの素材は、分離膜モジュールの対象となる被処理水に耐久性があることが好ましい。たとえば、海水を対象にする場合は、鉄合金を用いると腐食しやすいので注意を要する。

従って、原水シール部材３９ａ１〜３９ｆ１，３９ａ２〜３９ｆ２については、図６（ａ）に示すシール部材、とくに、スプリットリング状のシール部材を使用することによって本発明の目的を達成することが出来る。また、Ｕ−カップシールリングやＶ−カップシールリングを、スプリットリングシールと併用することによって、分離膜エレメントの移動は一方向になるが、より確実なシール性を実現することが出来るため好ましい実施態様である。

ところで、本発明に適用する弁としては、特に制約はなく、バタフライ弁、ゲート弁、グローブ弁、ボール弁など適宜選択することが出来る。またバルブとしても流量制御が必要であるため、バタフライ弁やグローブ弁が適している。また、空気式のポジショナーを備えていることが好ましい。

本発明の実施において、分離膜サブユニットの供給方向を運転中に切り替えるにあたり、切り替えタイミングの微妙なずれによる水撃作用によって配管や分離膜サブユニットが損傷することを防ぐため、図８にしめすように、分離膜サブユニットの原水ラインＣおよび／または原水ラインＤから系外に中間濃縮水を排出する排出ライン５０を備え、切り替え時に中間濃縮水排出バルブ５１を短時間開放することが好ましい。

具体的に図８を用いて説明すると、第２系列として運転している分離膜サブユニット１１ｃにおいて原水連通弁Ｙ（１７ｃ）、排水弁Ｘ（１３ｃ）を全閉とすることで、分離膜サブユニット１１ｃを第２系列から切り離したことになるが、第１系列の分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂは運転継続しているため、原水連通弁Ｙ（１７ｃ）を全閉にすると、分離膜サブユニット１１ａ，１１ｂからは中間濃縮水が排出されず全量ろ過状態となってしまい、原水側圧力が設計圧力を越え運転不可能となる。そこで分離膜サブユニット１１ｃの原水連通弁Ｙ（１７ｃ）を徐々に閉め始めると共に、中間濃縮水排出バルブ５１にて流量制御し第１系列の濃縮水量を既定値となるように中間濃縮水排出ライン５０から系外排出する。これにより原水連通弁Ｙ（１７ｃ）を全閉とし、その後排水弁Ｘ（１３ｃ）を全閉とすることにより分離膜サブユニット１１ｃを第２系列から切り離しても第１系列分離膜ユニット１１ａ，１１ｂは問題なく運転継続可能となる。

次に、分離膜サブユニット１１ｃを第１系列の分離膜サブユニットとして運転再開させる。その為には分離膜サブユニット１１ｃの原水連通弁Ｚ（２０ｃ）を開とし原水供給弁Ｗ（１０ｃ）を徐々に開とすれば良い。そして運転していた第１系列のうち１系列を第１系列から切り離す。ここでは分離膜サブユニット１１ａを切り離すものすると、分離膜サブユニット１１ａの原水供給弁Ｗ（１０ａ）を徐々に閉とし、全閉の後に原水連通弁Ｚ（２０ａ）を全閉とする。この時、３つの分離膜サブユニットが第１系列になることから分離膜サブユニットへの原水量のバランスが崩れるおそれが有るが、昇圧ポンプ６をインバータ化するか、原水供給弁Ｘ（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）の開度により原水量を流量制御すれば問題ない。この間も第１系列の濃縮水量は中間濃縮水排出バルブ５１にて流量制御しているため流量一定となっている。

最後に、第１系列から切り離した分離膜サブユニット１１ａを第２系列として再起動する。そのためには分離膜サブユニット１１ａの排水弁Ｘ（１３ａ）を開とし、原水連通弁Ｙ（１７ａ）を徐々に開とする。これにより第１系列の濃縮水は第２系列となった分離膜サブユニット１１ａに供給され、濃縮水量が増加するので流量制御を行っている中間濃縮水排出バルブ５１は徐々に閉にする。原水連通弁Ｙ（１７ａ）が全開になった時点で、中間濃縮水排出バルブ５１は全閉となり切り替えが完了する。

以上により運転継続のまま、分離膜サブユニットの切り替えが可能となる。

本発明では、一部の分離膜サブユニット（Ｎ）（第１系列）の濃縮水を残りの分離膜サブユニット（Ｍ）（第２系列）に供給するため、第２系列の分離膜サブユニットの圧力が低下したり、第２系列で処理すべき中間濃縮水の濃度上昇のためにより高い供給圧力が必要になったりする場合があるが、その場合は、図９に例示するように、原水ラインＣおよび原水ラインＤに連通する集合配管１８に中間昇圧ポンプ５２を備えることも可能である。また、この場合、排出ライン中間濃縮水排水ライン５０および中間濃縮水排出バルブ５１は、中間昇圧ポンプ５２の片側に備えることも可能であるし、中間昇圧ポンプへの水劇をより低減するために中間昇圧ポンプ５２の両側に備えることも可能である。

排水ラインＢが圧力エネルギーを有している場合は、排水幹配管１４に圧力エネルギー回収ユニット１５を配置することも好ましい。このとき、エネルギー回収ユニット１５としても、特に制限はなく、逆転ポンプ型、ペルトン水車型、圧力交換型、ターボチャージャー型等、適宜選択することが出来る。

本発明を適用可能な被処理水（原水）は特に、制限されるものではなく、河川水、海水、下水処理水、雨水、工業用水、工業廃水など、いろいろな被処理水を挙げることができるが、原水濃度変化によって、分離膜の運転条件や分離性能が大きく変動する、濃度の高い流体、とくに海水に好適である。

本発明は、運転をまったく、もしくは、ほとんど停止させることなく、しかも、分離膜エレメントをサブユニット化し、一部の分離膜サブユニットに他の分離膜サブユニットの濃縮水を供給し、しかも供給方向を逆にすることによって、上述の、先頭に位置する分離膜エレメントを順番に変更し、さらに、後方に配置する分離膜エレメントの流れる方向を逆にすることが出来るようになり、分離膜をバランスよく使用できるとともに高い稼働率を維持しつつ、ファウリングを効果的に防止できるようになる。

１：原水
２：原水タンク
３：原水供給ポンプ
４：前処理ユニット
５：前処理水タンク
６：昇圧ポンプ
７：原水幹配管
８：分離膜ユニット
９ａ，９ｂ，９ｃ：原水ラインＡ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：原水供給弁Ｗ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ：分離膜サブユニット
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ：排水ラインＢ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ：排水弁Ｘ
１４：排水幹配管
１５：圧力エネルギー回収ユニット
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ：原水ラインＣ
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ：第１の原水連通弁Ｙ
１８：集合配管
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ：原水ラインＤ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ：第２の原水連通弁Ｚ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ：透過水ラインＥ
２２：透過水幹配管
２３：透過水タンク
２４：分離膜
２５：透過側流路材
２６：供給側流路材
２７：中心管
２８：テレスコープ防止板
２９，２９ａ：被処理水（原水）
３０，３０ａ：透過水
３１：濃縮水
３２：被処理水（原水）供給口
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ：分離膜エレメント
３４：濃縮水排出口
３５：コネクター
３６ａ，３６ｂ：端板
３７ａ，３７ｂ：透過水取出口
３８：耐圧容器胴部
３９ａ１，３９ｂ１，３９ｃ１，３９ｄ１，３９ｅ１，３９ｆ１：原水シール部材
３９ａ２，３９ｂ２，３９ｃ２，３９ｄ２，３９ｅ２，３９ｆ２：原水シール部材
４０：筒状圧力容器
４１：筒状圧力容器の内壁
４２：テレスコープ防止板の外周部
４３：テレスコープ防止板の外周面
４４：Ｕ−カップシール
４５：Ｏ−リングシール
４６：スプリットリング状の非弾性材製シール部材
４７：スプリットリング状の非弾性材製シール部材のスプリット部
４８：スプリットリング状の非弾性材製シール部材の内径
４９：スプリットリング状の非弾性材製シール部材の外径
５０：中間濃縮水排出ライン
５１：中間濃縮水排出バルブ
５２：中間昇圧ポンプ
５３：被処理水
５４：透過水
５５：濃縮水
５６：バルブ
５７：分離膜モジュール
５８：垂直にカットされたスプリット部
５９，６０：垂直にカットされたスプリット部の近傍のシール部材
６１：テレスコープ防止板の円周溝の両側部分
６２：斜めにカットされたスプリット部
６３，６４：斜めにカットされたスプリット部の近傍のシール部材
６５：階段状にカットされたスプリット部
６６，６７：階段状にカットされたスプリット部の近傍のシール部材

Claims (8)

1. 複数の分離膜エレメントが筒状圧力容器内に装填された少なくとも１つの分離膜モジュールからなる分離膜サブユニットを複数備えた分離膜ユニットであって、それぞれの分離膜サブユニットは、原水供給弁Ｗを備えた原水ラインＡと、排水弁Ｘを備えた排水ラインＢと、第１の原水連通弁Ｙを備えた原水ラインＣと、第２の原水連通弁Ｚを備えた原水ラインＤと、透過水ラインＥと連通し、それぞれの分離膜サブユニットにおいて、原水ラインＡと排水ラインＢとは連通し、原水ラインＣと原水ラインＤとは連通し、それぞれの原水ラインＡは原水幹配管に連通し、それぞれの排水ラインＢは排水幹配管に連通し、それぞれの原水ラインＣおよび原水ラインＤは集合配管に連通し、それぞれの透過水ラインＥは透過水幹配管に連通していることを特徴とする分離膜ユニット。
2. 分離膜エレメントが、分離膜を流路部材とともに巻回された膜巻体の外周が外装体で覆われ、膜巻体及び外装体の少なくとも片端にテレスコープ防止板が設けられ、少なくとも１つのテレスコープ防止板の外周に、分離膜エレメントを筒状圧力容器内で実質的に両方向に移動可能せしめる原水シール部材が設けられてなるスパイラル型の分離膜エレメントであることを特徴とする請求項１に記載の分離膜ユニット。
3. 原水ラインＣから系外に排出する配管、および／または、原水ラインＤから系外に排出する配管をさらに備えた請求項１または２に記載の分離膜ユニット。
4. 原水ラインＣおよび原水ラインＤに連通する集合配管において昇圧ポンプを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分離膜ユニット。
5. 排水幹配管において圧力エネルギー回収ユニットを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分離膜ユニット。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の分離膜ユニットを用いて透過水を得る造水方法であって、複数の分離膜サブユニットのうちの一部の分離膜サブユニット（Ｍ）において、原水供給弁Ｗと第２の原水連通弁Ｚを全閉にし、かつ、排水弁Ｘと第１の原水連通弁Ｙを開にするとともに、残りの分離膜サブユニット（Ｎ）において、原水供給弁Ｗと第２の原水連通弁Ｚを開にし、かつ、排水弁Ｘと第１の原水連通弁Ｙを全閉にすることで、原水を原水幹配管および分離膜サブユニット（Ｎ）の原水ラインＡを介して分離膜サブユニット（Ｎ）に供給し、分離膜サブユニット（Ｎ）の透過水ラインＥから透過水幹配管を介して透過水を取り出しつつ分離膜サブユニット（Ｎ）の原水ラインＤから中間濃縮水を取り出し、この中間濃縮水を、集合配管を介して分離膜サブユニット（Ｍ）の原水ラインＣから分離膜サブユニット（Ｍ）に供給し、分離膜サブユニット（Ｍ）の透過水ラインＥから透過水幹配管を介して透過水を取り出しつつ分離膜サブユニット（Ｍ）の排水ラインＢから排水幹配管を介して濃縮水を取り出すことを特徴とする造水方法。
7. 分離膜サブユニット（Ｎ）を複数の分離膜サブユニットのうちで順に変更することを特徴とする請求項６に記載の造水方法。
8. 分離膜サブユニット（Ｍ）における分離膜の総膜面積が、分離膜サブユニット（Ｎ）における分離膜の総膜面積よりも小さいことを特徴とする請求項６または７に記載の造水方法。

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