JPWO2018034153A1 - 平型中空糸膜モジュールおよび膜分離ユニット - Google Patents

Abstract

供給口および排出口を有する平型の筐体と、筐体の内部に収容された複数の中空糸膜と、を備え、筐体は、一方の主面に複数の供給口を有し、他方の主面に複数の排出口を有し、複数の供給口の少なくとも１つは閉塞可能であり、複数の排出口の少なくとも１つは閉塞可能であり、複数の中空糸膜の各々は、一方の端部に第１開口を有し、他方の端部に第２開口を有し、第１開口および第２開口は筐体の外部に連通し、筐体の内部に連通していない、平型中空糸膜モジュール。

Description

本発明は、平型中空糸膜モジュールおよび膜分離ユニットに関する。

正浸透（ＦＯ：ｆｏｒｗａｒｄ ｏｓｍｏｓｉｓ）とは、半透膜を介して、低濃度（低浸透圧）の処理対象水（フィード溶液）側の水が高濃度（高浸透圧）の溶液（ドロー溶液）に向かって移動する現象のことである。一方、水処理分野においては、逆浸透（ＲＯ：ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ）工程を用いる水処理方法が従来から知られている。逆浸透工程は、人為的に強い圧力を加えることにより、正浸透とは逆に、高濃度の処理対象水から低濃度の溶液側に水を移動させる工程である。

しかし、逆浸透工程は強い圧力を必要とするため、エネルギー消費量が極めて多く、エネルギー効率が低い。そこで、近年、水処理のエネルギー効率を高めるために、人為的に圧力を加える必要のない正浸透現象を利用した正浸透水処理システムが提案されている。

例えば、国際公開第２０１３／１１８８５９号（特許文献１）には、中空糸型半透膜を用いた正浸透水処理システムが開示されている。中空糸膜は、スパイラル型半透膜などに比べて、モジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、膜浸透効率を高めることができる点で有利である。また、それ自体が分離機能を有すると共に支持体であることから、流路材が不要であり、膜の集積度、容積効率を高くできる。そのため、膜エレメントの単位容積当りのろ過流量を大きくすることができる特徴がある。

一方、正浸透水処理システムに用いられるドロー溶液としては種々のものが知られているが、例えば、特表２０１４−５１２９５１号公報（特許文献２）には、ドロー溶液としてポリグリコール共重合体などの高粘度溶液を用いることが開示されている。

なお、特許文献３（米国特許出願公開第２０１４／０１７５０１１号明細書）には、複数の平膜を有するモジュールを多段に連結してなる膜分離装置が開示されているが、中空糸膜を用いた場合のように膜浸透効率を高めることができない。

また、特許文献４（特開２０００−５１６７２号公報）には、複数本の中空糸が平行に配置された状態で糸により一体化された編織物を含む平型中空糸膜モジュールが、複数平行に配列された膜分離装置が開示されている。

国際公開第２０１３／１１８８５９号 特表２０１４−５１２９５１号公報 米国特許出願公開第２０１４／０１７５０１１号明細書 特開２０００−５１６７２号公報

特許文献１に記載されるような既存の円筒型中空糸膜エレメントに、例えば、高粘度のドロー溶液を中空糸型半透膜の外側に流す場合でも、膜エレメント中央の分配管付近の流速が大きく圧力損失が大きくなり、中空糸型半透膜の内外での十分な有効浸透圧差を維持するために必要なドロー溶液流量を確保できず、正浸透水処理等の膜分離効率が低下してしまう場合があった。なお、特許文献４に記載されるような平型中空糸膜モジュールが複数平行に配列された膜分離装置においても、同じ流体が複数の平型中空糸膜モジュールを通過するため、圧力損失は大きい。

本発明は、上記の課題に鑑み、中空糸膜を用いた膜浸透効率の高い膜分離装置において、圧力損失を低減し、膜分離効率の低下を抑制することを目的とする。

［１］
供給口および排出口を有する平型の筐体と、
前記筐体の内部に収容された複数の中空糸膜と、を備え、
前記筐体は、一方の主面に複数の供給口を有し、他方の主面に複数の排出口を有し、
前記複数の供給口の少なくとも１つは閉塞可能であり、前記複数の排出口の少なくとも１つは閉塞可能であり、
前記複数の中空糸膜の各々は、一方の端部に第１開口を有し、他方の端部に第２開口を有し、
前記第１開口および前記第２開口は前記筐体の外部に連通し、前記筐体の内部に連通していない、平型中空糸膜モジュール。

［２］
前記複数の供給口および前記複数の排出口は、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜の外側に配置されている、［１］に記載の平型中空糸膜モジュール。

［３］
前記複数の供給口は、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜に対して対向する位置に配置された２つの供給口を含み、該２つの供給口のいずれかは閉塞可能であり、
前記複数の排出口は、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜に対して対向する位置に配置された２つの排出口を含み、該２つの供給口のいずれかは閉塞可能である、［２］に記載の平型中空糸膜モジュール。

［４］
前記筐体の主面に垂直な方向から見て前記筐体の外側に、
前記複数の中空糸膜の内部に前記第１開口を介して連通する第１流路と、
前記複数の中空糸膜の内部に前記第２開口を介して連通する第２流路と、をさらに備え、
前記第１流路は、第１流入口および第１流出口を有し、
前記第２流路は、第２流入口および第２流出口を有し、
前記第１流入口および前記第２流入口のいずれか一方は閉塞可能であり、
前記第１流出口および前記第２流出口のいずれか一方は閉塞可能である、［１］〜［３］のいずれかに記載の平型中空糸膜モジュール。

［５］
前記第１流路と前記第２流路とは、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜に対して対向する位置に配置されている、［４］に記載の平型中空糸膜モジュール。

［６］
前記複数の中空糸膜は、前記筐体の主面に平行な方向に、互いに所定の隙間を空けて配置されている、［１］〜［５］のいずれかに記載の平型中空糸膜モジュール。

［７］
前記複数の中空糸膜は、複数の中空糸膜が平面的に配置された状態で一体化されてなる中空糸膜束シートを含む、［１］〜［６］のいずれかに記載の平型中空糸膜モジュール。

［８］
前記中空糸膜束シートにおいて、複数の中空糸膜は相互に横糸で拘束されることにより一体化されている、［７］に記載の平型中空糸膜モジュール。

［９］
前記中空糸膜束シートは複数の貫通孔を有する整流シートを含み、
前記中空糸膜束シートにおいて、複数の中空糸膜は前記整流シートの一方の面に固定されることにより一体化されている、［７］に記載の平型中空糸膜モジュール。

［１０］
前記筐体内に複数の貫通孔を有する整流シートをさらに含む、［１］〜［８］のいずれかに記載の平型中空糸膜モジュール。

［１１］
［１］〜［１０］のいずれかに記載の平型中空糸膜モジュールを複数備える、膜分離ユニット。

本発明によれば、中空糸膜を用いた膜浸透効率の高い膜分離装置において、圧力損失を低減し、膜分離効率の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの一部の構成を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの一部の構成を説明するための別の模式図である。 本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの一部の構成を説明するための別の模式図である。 本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの一部の構成を説明するための別の模式図である。 本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの一部の構成を説明するための別の模式図である。 本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの一部の構成を説明するための別の模式図である。 本発明の一実施形態における平型中空糸膜モジュールの構成を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態における膜分離ユニットの構成を説明するための模式図である。 図８のＹ−Ｙ’断面（図６のＹ−Ｙ’断面参照）を示す模式図である。 図８のＹ−Ｙ’断面（図６のＹ−Ｙ’断面参照）を示す別の模式図である。 図８のＸ−Ｘ’断面（図６のＸ−Ｘ’断面参照）を示す模式図である。 図８のＸ−Ｘ’断面（図６のＸ−Ｘ’断面参照）を示す別の模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。

〔平型中空糸膜モジュール〕
まず、本実施形態の平型中空糸膜モジュールの構成について、図１〜図７を参照して説明する。

本実施形態の平型中空糸膜モジュールは、図１に示される端板１１（２枚）、図２に示される側壁１２、図３に示されるスペーサ１３１，１３２、および、図４（ａ）に示される膜プレート１４から構成される（図５〜図７参照）。このように、本実施形態の平型中空糸膜モジュールは、わずか４種類の部品から構成される。なお、スペーサ１３１とスペーサ１３２とは同一形状の部品である。

図１を参照して、端板１１は、矩形状の平板に溝１１４、ボルト孔１１４ａ、および、孔１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂが設けられてなる部品である。端板１１の溝１１４には、側壁１２の端部が嵌め込まれる。

このように、平型中空糸膜モジュールを構成する各部品の表面に凹凸を作り、各部品の組み合わせを容易にすることができる。例えば、組み合わせられる一方の部品の表面に溝またはほぞ穴を形成し、他方の部品の表面にその溝に嵌合する凸部またはほぞを設けることにより、部品の組み合わせを容易にすることができる。

図２を参照して、側壁１２は、基本的に角筒状の部品であり、図の上下方向の両側に開口を有している。また、側壁１２は、補強用のリブ１２ａを外周表面に有し、さらに、内周表面に膜プレート１４およびスペーサ１３１，１３２を内部に装填するためのガイド１２ｂを有している。

側壁１２のリブ１２ａは、リブ１２ａを長さ方向に貫通する貫通孔１２ｃを有している。これにより、２枚の端板１１の溝１１４に側壁１２の各々の端部が嵌め込まれた状態（２枚の端板１１で側壁１２を挟み込んだ状態）で、端板１１のボルト孔１１４ａおよび端板１１の貫通孔１２ｃにボルトを通してナットで固定することができる。

図３（ａ）を参照して、スペーサ１３１は、開口１３１ａおよび開口１３１ｂが形成された平板である。また、図３（ｂ）を参照して、スペーサ１３２は、開口１３２ａおよび開口１３２ｂが形成された平板である。なお、スペーサ１３２は、スペーサ１３１と同じ形状の部品であり、配置の向きが違うだけである。

図４（ａ）を参照して、膜プレート１４は、互いに略平行に配列され、両端に開口１４１ａを有する複数の中空糸膜１４１を備える。各々の中空糸膜１４１の両端は、角筒状の枠部材１４３の（図の左右方向に）対向する側壁を貫通するように（中空糸膜の両側の開口１４１ａの各々が枠部材１４３の外部に連通するように）、枠部材１４３に固定されている。

また、枠部材１４３の（図の奥行き方向に）対向する側壁には、該側壁の高さ方向に貫通する流路１４３ａ，１４３ｂが設けられている。

また、図の上下方向において、複数の中空糸膜１４１を挟み込むように２枚の整流シート１４２が設けられている。なお、図４では、上側の整流シート１４２のみを描いているが、下側にも同様の整流シート１４２が設けられている。

図５は、端板１１にスペーサ１３１を組み合わせた状態を示している。この状態において、開口１３１ａは端板１１の孔１１２ａと連通しており、開口１３１ｂは端板１１の孔１１２ｂと連通している。なお、図５では側壁１２は省略しているが、実際には、側壁１２を端板１１に組み合わせた後に、スペーサ１３１は、側壁１２のガイド１２ｂに沿って装填される。

図５では、端板１１の孔１１１ｂはプラグ１１３で閉塞されている。これにより、図６に矢印で示されるように、下側の端板１１の孔１１１ａから流入した流体（ＤＳまたはＦＳ）は、中空糸膜１４１の内部を通って、上側の端板１１の孔１１１ｄ（図７（ａ））から流出する。

図６は、端板１１およびスペーサ１３１に、さらに膜プレート１４を組み合わせた状態を示している。なお、図６では側壁１２は省略しているが、実際には、側壁１２を端板１１に組み合わせ、スペーサ１３１を装填した後に、膜プレート１４は、側壁１２のガイド１２ｂに沿って装填される。

図６に示す状態において、流路１４３ａは開口１３１ａに連通し、流路１４３ｂは開口１３１ｂに連部している。これにより、流体は、下側の端板１１の孔１１２ａから下側のスペーサ１３１の開口１３１ａを経由して流入し、一部は、枠部材１４３の内部の複数の中空糸膜１４１の外側の部分を通り、上側のスペーサ１３２の開口１３２ｂを経由して上側の端板１１の孔１１２ｄ（図７（ａ））から流出する。流体の残りの一部は、膜プレート１４の流路１４３ａを通り、上側のスペーサ１３２の開口１３２ａを経由して上側の端板１１の孔１１２ｃから（図７（ａ））流出する。

図７は、２枚の端板１１、側壁１２、スペーサ１３１，１３２、および、膜プレート１４を組み合わせてなる平型中空糸膜モジュールの斜視図である。すなわち、図５に示す状態で、膜プレート１４の上にスペーサ１３２を装填し、その上に端板１１を溝１１４が下側になるように載置した状態が示されている。なお、図７（ａ）は斜め上方から見た図であり、図７（ｂ）は斜め下方から見た図である。

平型中空糸膜モジュールの主面の一辺の長さは、例えば、０．５〜１ｍ程度である。平型中空糸膜モジュールの厚みは、例えば、１〜５０ｃｍ程度である。平型中空糸膜モジュールの形状は、このように厚みが他の辺の長さより短い直方体状（平板状）である。

図７（ｂ）において、下側の端板１１の孔１１１ｂおよび孔１１２ｂはプラグ１１３で閉塞されており、下側の端板１１の他の孔１１１ａおよび孔１１２ａ、並びに、上側の端板１１の全ての孔（１１１ｃ，１１１ｄ，１１２ｃ，１１２ｄ）は塞がれていない。これは、後述する図９の平型中空糸膜モジュール１ａおよび図１１の平型中空糸膜モジュール１ａに相当する形態であり、このような形態に限定されるものではない。

なお、図７の形態において（図７および図６等参照）、膜プレート１４の枠部材１４３、スペーサ１３１，１３２（図６では省略）、および、２枚の端板１１によって、複数の中空糸を内部に収容するための「筐体」が形成される。筐体は、平型中空糸膜モジュールの形状に合わせた形状であり、平型中空糸膜モジュールと同様に、平型、すなわち、厚みが他の辺の長さより短い直方体状（平板状）である。

ここで、孔１１２ａが該筐体内への流体の「供給口」となり、孔１１２ｃ，１１２ｄが該筐体内の流体の「排出口」となる。なお、供給口となり得る孔１１２ｂは、閉塞可能であり、図７ではプラグ１１３によって閉塞されている。

これらの供給口（孔１１２ａ，１１２ｂ）および排出口（孔１１２ｃ，１１２ｄ）は、筐体（端板１１）の主面に垂直な方向から見て、複数の中空糸膜１４１の外側に配置されている。

複数の供給口は、筐体の主面に垂直な方向から見て、複数の中空糸膜１４１に対して対向する位置に配置された２つの供給口（孔１１２ａ，１１２ｂ）を含み、該２つの供給口のいずれかは閉塞可能である。また、複数の排出口は、筐体の主面に垂直な方向から見て、複数の中空糸膜１４１に対して対向する位置に配置された２つの排出口（孔１１２ｃ，１１２ｄ）を含み、該２つの排出口のいずれかは閉塞可能である。

このような供給口と排出口の配置により、後述する図１１および図１２のように、平型中空糸膜モジュールを複数連結してなる膜分離ユニットにおいて、複数の供給口および複数の排出口の少なくとも１つを閉塞することで、筐体の内部（複数の中空糸膜１４１の外側）の流路を自由に設計することが可能である。そして、後述する図１１のように、筐体の内部（複数の中空糸膜１４１の外側）の流路を並列的に連結することで、膜分離ユニットの圧力損失を大幅に低減することができる。したがって、本実施形態においては、中空糸膜を用いた膜浸透効率の高い膜分離装置において、圧力損失を低減し、膜分離効率の低下を抑制することができる。

また、筐体の内部（複数の中空糸膜１４１の外側）において流体が通る位置を適切に制御し、適切な範囲および方向に流体を流して、膜分離効率を高めることができる。

また、筐体（端板１１）の主面に垂直な方向から見て筐体の外側に、複数の中空糸膜の内部に第１開口１４１ａ１を介して連通する第１流路１２１と、複数の中空糸膜の内部に第２開口１４１ａ２を介して連通する第２流路１２２と、を備えている（図９参照）。

第１流路１２１は、第１流入口（孔１１１ａ）および第１流出口（孔１１１ｃ）を有し、第２流路１２２は、第２流入口（孔１１１ｂ）および第２流出口（孔１１１ｄ）を有している。ここで、第１流入口（孔１１１ａ）および第２流入口（孔１１１ｂ）のいずれか一方は閉塞可能であり、第１流出口（孔１１１ｃ）および第２流出口（孔１１１ｄ）のいずれか一方は閉塞可能である。

これにより、後述する図９または図１０のように、平型中空糸膜モジュールを複数連結してなる膜分離ユニットにおいて、複数の中空糸膜１４１内を通る流路を自由に設計することが可能である。そして、後述する図９のように、複数の中空糸膜１４１内を通る流路を並列的に連結することで、膜分離ユニットの圧力損失を大幅に低減することができる。したがって、本実施形態においては、中空糸膜を用いた膜浸透効率の高い膜分離装置において、圧力損失を低減し、膜分離効率の低下を抑制することができる。

以下、膜プレート１４の構成について、詳細に説明する。膜プレート１４において、複数の中空糸膜１４１は、筐体（端板１１）の主面に平行な方向に、互いに所定の隙間を空けて配置されている。中空糸膜１４１の内径は、例えば、１０〜３００μｍ程度である。中空糸膜１４１の外径は、例えば、１００〜５００μｍ程度である。

中空糸膜１４１を構成する半透膜としては、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、正浸透膜（ＦＯ膜：Ｆｏｒｗａｒｄ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、限外ろ過膜（ＵＦ膜：Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜、正浸透膜またはナノろ過膜である。

通常、ＲＯ膜およびＦＯ膜の孔径は約２ｎｍ以下であり、ＵＦ膜の孔径は約２〜１００ｎｍである。ＮＦ膜は、ＲＯ膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、ＮＦ膜の孔径は約１〜２ｎｍである。半透膜としてＲＯ膜、ＦＯ膜またはＮＦ膜を用いる場合、ＲＯ膜、ＦＯ膜またはＮＦ膜の塩除去率は好ましくは９０％以上である。

半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびポリスルホン系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。

セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。

ポリスルホン系樹脂は、好ましくはポリエーテルスルホン系樹脂である。ポリエーテルスルホン系樹脂は、好ましくはスルホン化ポリエーテルスルホンである。

具体的な中空糸膜（中空糸型半透膜）の一例としては、全体がセルロース系樹脂から構成されている単層構造の膜が挙げられる。ただし、ここでいう単層構造とは、層全体が均一な膜である必要はなく、例えば、外周表面近傍に緻密層を有し、この緻密層が実質的に中空糸型半透膜の孔径を規定する分離活性層となっていることが好ましい。

具体的な中空糸型半透膜の別の例としては、支持層（例えば、ポリフェニレンオキサイドからなる層）の外周表面にポリフェニレン系樹脂（例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン）からなる緻密層を有する２層構造の膜が挙げられる。また、他の例として、支持層（例えば、ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンからなる層）の外周表面にポリアミド系樹脂からなる緻密層を有する２層構造の膜が挙げられる。

従来の円筒型中空糸膜エレメントの作製においては、例えば、特許第４４１２４８６号公報、特許第４２７７１４７号公報、特許第３５９１６１８号公報、特許第３００８８８６号公報などに開示されるように、４５〜９０本またはそれ以上の中空糸膜を集めて１つの中空糸膜集合体とし、さらにこの中空糸膜集合体を複数横に並べて偏平な中空糸膜束とする。そして、この中空糸膜束を、多数の孔を有する芯管にトラバース（芯管の軸方向に往復移動）させながら巻き付ける。このような方法を採用することで、中空糸膜の充填率を高めつつ、中空糸膜間に適度な間隙を均等に設けることができるため、中空糸膜の外側を流れる流体の偏流を抑制することができる。

しかし、平型中空糸膜モジュール１（膜プレート１４）には芯管がないため、その作製において上記のような作製方法を採用することはできない。このため、例えば、膜プレート１４は、例えば、中空糸膜（中空糸型半透膜）１４１を複数束ねて、両端を樹脂等で固定（ポッティング）することにより作製される。

充填率が高く、かつ偏流を抑制することのできる平型中空糸膜モジュールを作製するために、以下のようにして、複数の中空糸膜が平面的に配置された状態で一体化されてなる中空糸膜束シートを作製しておき、これを用いて膜プレート１４を作製することが好ましい。

複数の中空糸膜がほぼ平行に配置され、これらが簾のように横糸で一体化されてなる編織物（中空糸膜束シート）を作製しておき、所定長さの中空糸膜束シート（複数の中空糸膜束シートを積層した積層体であってもよい）を所定の大きさの枠部材に固定することで、膜プレート１４（平型中空糸膜エレメント）を作製することができる。これにより、流体（ＦＳまたはＤＳ）の圧力や自重による中空糸膜のたわみ、折れなどを防止することができる。なお、特に、中空糸膜の接着部との界面部（ウイッキング部）は、中空糸膜の折れが発生しやすいため、この部分を横糸で拘束しておくことで、より確実に中空糸膜のたわみ、折れなどを防止することができる。

また、所定の枠（かせ）等に、中空糸膜を一定速度でトラバースしながら、間隔が均一になるように中空糸膜を巻回し、得られた巻物の一部を裁断して中空糸膜束シートを作製してもよい。この場合、図４（ｂ）に示されるような中空糸膜の交差配置、異なる種類の中空糸膜の組み合わせなどが可能である。交差配置とすることで、中空糸膜（束）の交差部に空隙が規則的に形成されるため、中空糸膜の外側を流れる流体中の非溶解成分や粒子成分等が中空糸膜間に捕捉されることが少なくなり、圧力損失の増大が生じにくくなる。また、中空糸膜の外側を流れる流体の偏流の抑制、自己形状保持性（中空糸膜同士が支え合う）の向上などの効果を得ることができる。なお、交差配置とは、例えば、膜プレートの幅方向から見て複数の中空糸膜が交差している配置であってもよく（図４（ｂ）参照）、厚み方向（膜プレート１４の主面に垂直な方向）から見て複数の中空糸膜が交差している配置であってもよい。

また、中空糸膜束シートを複数の貫通孔を有する整流シート（メッシュ、パンチングプレートなど）上に配置してもよい。すなわち、中空糸膜束シートにおいて、複数の中空糸膜は整流シートの一方の面に固定されることにより一体化されていてもよい。また、中空糸膜束シートの外側、隣接する中空糸膜束シート間などに、整流シートを配置してもよい。このようにすることで、中空糸膜束シートが整流シートによって保持されるため、流体（ＦＳまたはＤＳ）の圧力や自重による中空糸膜のたわみ、折れなどを防止することができる。

なお、複数の貫通孔を有する整流シートを膜プレート１４（筐体）内に設けることで、膜プレート１４の内部（中空糸膜１４１の外側）の流体の流れを均一化し、偏流等を抑制することができる。整流シートの開口率は、特に限定されないが、好ましくは３０％以上である。

〔膜分離ユニット〕
次に、本実施形態の膜分離ユニットの構成について、図８〜図１２を参照して説明する。

図８を参照して、本実施形態の膜分離ユニットは、複数の平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃを上下方向（平型中空糸膜モジュールの主面に垂直な方向）に連結してなる。なお、図８では、各々の平型中空糸膜モジュールの詳細は省略している。

図９および図１０は、図８のＹ−Ｙ’断面（図６のＹ−Ｙ’断面参照）を示す図である。図９は、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の内部を通る流体の流路が並列に接続された形態を示す。図１０は、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の内部を通る流体の流路が直列に接続された形態を示す。

図９において、平型中空糸膜モジュール１ａの孔１１１ｂがプラグ１１３で閉塞され、平型中空糸膜モジュール１ｃの孔１１１ｃがプラグ１１３で閉塞されている。それ以外は、端板１１の孔１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは閉塞されていない。これにより、平型中空糸膜モジュール１ａの下側の端板１１の孔１１１ａから流体を第１流路１２１に流入させると、一部の流体は、第１開口１４１ａ１を介して中空糸膜１４１の内部に流入し、第２開口１４１ａ２、第２流路１２２、孔１１１ｄ、および、平型中空糸膜モジュール１ｂの孔１１１ｂをこの順で通り、平型中空糸膜モジュール１ｂの第２流路１２２に流出する。第１流路１２１内の他の一部の流体は、孔１１１ｃおよび平型中空糸膜モジュール１ｂの孔１１１ａをこの順で通り、平型中空糸膜モジュール１ｂの第１流路１２１に流出する。

以下、図９に示す構成においては、矢印で示すように、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の内部を流体が並列的に流れ、最終的には、平型中空糸膜モジュール１ｃの孔１１１ｄから流出する。

一方、図１０においては、矢印で示すように、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の内部を流体が直列的に流れる。このような直列的な流路が形成されるように、各々の端板１１の孔がプラグ１１３で閉塞されている。

なお、図９に示すように流体が並列的に流れる方が、図１０に示すように流体が直列的に流れる場合よりも、圧力損失が少ない点で好ましい。特に、中空糸膜１４１の内部（中空部）に比較的高粘度（例えば、粘度が１０ｃｐ以上）のＤＳなどを流す場合は、図９に示されるように複数の平型中空糸膜モジュールを接続することが好ましい。

ただし、中空糸膜の内部を流れる流体の粘度が低い場合、または、流量が小さく圧力損失そのものが十分小さい場合は、図１０に示されるように中空糸型半透膜の内部を流れる流体が直列的に流れる方が、図９に示されるように中空糸型半透膜の内部を流れる流体が並列的に流れる場合よりも、流速を大きく、濃度分極を小さくできるため膜浸透効率を高めることができる場合がある。このため、流路を並列的にするか直列的にするかは、使用目的、期待する効果などに合わせて適宜選定が可能である。なお、並列的な流路と直列的な流路を組み合わせてもよい。

図１１および図１２は、図８のＸ−Ｘ’断面（図６のＸ−Ｘ’断面参照）を示す図である。図１１は、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の外側を通る流体の流路が並列に接続された形態を示す。図１２は、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の外側を通る流体の流路が直列に接続された形態を示す。

図１１において、平型中空糸膜モジュール１ａの孔１１２ｂがプラグ１１３で閉塞され、平型中空糸膜モジュール１ｃの孔１１２ｃがプラグ１１３で閉塞されている。それ以外は、端板１１の孔１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄは閉塞されていない。

これにより、平型中空糸膜モジュール１ａの下側の端板１１の孔１１２ａから流体を流入させると、一部の流体は、スペーサ１３１の開口１３１ａ、枠部材１４３（膜プレート１４）の内部の複数の中空糸膜１４１の外側、スペーサ１３２の開口１３２ｂ、孔１１２ｄ、および、平型中空糸膜モジュール１ｂの孔１１２ｂをこの順で通り、平型中空糸膜モジュール１ｂの流路１４３ｂに流出する。流体の他の一部は、スペーサ１３１の開口１３１ａ、流路１４３ａ、スペーサ１３２の開口１３２ａ、孔１１２ｃ、および、平型中空糸膜モジュール１ｂの孔１１２ａをこの順で通り、平型中空糸膜モジュール１ｂの流路１４３ａに流出する。

以下、図１１に示す構成においては、矢印で示すように、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の外側を流体が並列的に流れ、最終的には、平型中空糸膜モジュール１ｃの孔１１２ｄから流出する。

一方、図１２においては、矢印で示すように、平型中空糸膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｃの中空糸膜１４１の外側を流体が直列的に流れる。このような直列的な流路が形成されるように、各々の端板１１の孔がプラグ１１３で閉塞されている。

なお、図１１に示すように流体が並列的に流れる方が、図１２に示すように流体が直列的に流れる場合よりも、圧力損失が少ないため好ましい。特に、中空糸膜１４１の外側に比較的高粘度のＤＳなどを流す場合は、図１１に示されるように複数の平型中空糸膜モジュールを接続することが好ましい。

ただし、中空糸型半透膜の外部を流れる流体の粘度が低い場合、または、流量が小さく圧力損失そのものが十分小さい場合は、図１２に示されるように中空糸型半透膜の外部を流れる流体が直列的に流れる方が、図１１に示されるように中空糸型半透膜の外部を流れる流体が並列的に流れる場合よりも、流速を大きく、濃度分極を小さくできるため膜浸透効率を高めることができる場合がある。このため、流路を並列的にするか直列的にするかは、使用目的、期待する効果などに合わせて適宜選定が可能である。なお、並列的な流路と直列的な流路を組み合わせてもよい。

〔膜分離装置〕
本実施形態の膜分離装置は、上記の膜分離ユニットを備え、さらにＤＳおよびＦＳを循環させるための流路、ポンプなどの他の器具を備えている。膜分離ユニット以外の器具としては、膜分離装置に用いられる種々公知の器具を用いることができる。

〔正浸透処理〕
本実施形態の平型中空糸膜モジュールまたは膜分離ユニットを正浸透処理に用いる場合、水を含むフィード溶液（ＦＳ）と、ドロー溶質を含みフィード溶液より高い浸透圧を有するドロー溶液（ＤＳ）とを、中空糸膜を介して接触させることで、正浸透現象によってＦＳ中に含まれる水をＤＳ中に移動（浸透、透過）させる。

フィード溶液（ＦＳ、処理対象水）は、水を含む液体であればよく、例えば、海水、汽水、かん水、坑井随伴水、湖沼水、河川水、工場廃水などである。特に淡水が得られ難い沿岸部等で淡水を得られることは有用であるため、ＦＳはこのような場所で容易に得られる海水、汽水、かん水、坑井随伴水などであることが好ましい。

坑井は、随伴水を排出するものであれば特に制限されないが、例えば石油、シェールガス、オイルサンド、ＣＢＭ（炭層メタン）等を採掘する坑井などである。随伴水は、坑井からの採掘目的物に同伴して排出される水であり、塩分、有機物、懸濁物などを含んでいる。

本実施形態の平型中空糸膜モジュールは、特にドロー溶液の粘度が比較的高い場合において有用である。比較的高粘度のドロー溶液に用いられるドロー溶質としては、例えば、糖類、タンパク質、合成高分子などが挙げられる。回収および再生のしやすさといった点からは、刺激応答性高分子が好ましい。刺激応答性高分子としては、温度応答性高分子、ｐＨ応答性高分子、光応答性高分子、磁気応答性高分子などが挙げられる。

温度応答性高分子とは、所定の温度を臨界点として親水性が変化する特性（温度応答性）を有する高分子である。温度応答性とは、言い換えれば、温度に応じて親水性になったり疎水性になったりする特性である。ここで、親水性の変化は可逆的であることが好ましい。この場合、温度応答性高分子は、温度を調整することで、水に溶解させたり、水と相分離させたりすることができる。なお、温度応答性高分子は、例えば、特開２０１５−４７５４１号公報に開示されている。

温度応答性高分子は、モノマーに由来する複数の構造単位からなるポリマーであり、側鎖に親水性基を有していることが好ましい。

温度応答性高分子には、下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）タイプと上限臨界共溶温度（ＵＣＳＴ）タイプがある。ＬＣＳＴタイプでは、低温の水に溶解している高分子が、高分子に固有の温度（ＬＣＳＴ）以上の温度になると、水と相分離する。逆に、ＵＣＳＴタイプでは、高温の水に溶解している高分子が、高分子に固有の温度（ＵＣＳＴ）以下になると、水と相分離する(杉原ら、「環境応答性高分子の組織体への展開」、ＳＥＮ’Ｉ ＧＡＫＫＡＩＳＨＩ（繊維と工業）、Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．８，２００６参照)。半透膜は、高温で劣化し易い素材を用いる場合においては、低温の水に溶解している温度応答性高分子が半透膜に接触している方が望ましいため、本発明に用いる温度応答性高分子はＬＣＳＴタイプであることが好ましい。また、高温で劣化しにくい素材で構成された半透膜を用いる場合は、ＬＣＳＴタイプの他，ＵＣＳＴタイプも用いることができる。

親水性基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、アセチル基、アルデヒド基、エーテル結合、エステル結合が挙げられる。親水性基は、これらから選択される少なくとも１種類であることが好ましい。

温度応答性高分子は、少なくとも一部または全部の構造単位において少なくとも１つの親水性基を有することが好ましい。また、温度応答性高分子は、親水性基を有しつつ、一部の構造単位において疎水性基を有していてもよい。なお、温度応答性高分子が、温度応答性を有するためには、分子中に含まれる親水性基と疎水性基のバランスが重要であると考えられている。

具体的な温度応答性高分子としては、例えば、ポリビニルエーテル系ポリマー、ポリ酢酸ビニル系ポリマー、（メタ）アクリル酸系ポリマーなどが挙げられる。

ドロー溶液の粘度は、好ましくは０．０５Ｐａ・ｓ以上であり、より好ましくは０．１０Ｐａ・ｓ以上である。ドロー溶液として、このような高粘度の溶液を用いる場合において、特に正浸透処理の効率が低下しやすいため、本発明の平型中空糸膜モジュールおよび膜分離ユニットが有用である。

ドロー溶液の浸透圧は、溶質の分子量等にもよるが、好ましくは０．５〜１０ＭＰａであり、より好ましくは１〜９ＭＰａであり、さらに好ましくは２〜８ＭＰａである。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 膜モジュール、１１ 端板、１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ 孔、１１３ プラグ、１１４ 溝、１１４ａ ボルト孔、１２ 側壁、１２１ 第１流路、１２２ 第２流路、１２ａ リブ、１２ｂ ガイド、１３１，１３２ スペーサ、１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ 開口、１４ 膜プレート、１４１ 中空糸膜、１４１ａ 開口、１４２ 整流シート、１４３ 枠部材、１４３ａ，１４３ｂ 流路。

Claims (11)

1. 供給口および排出口を有する平型の筐体と、
   前記筐体の内部に収容された複数の中空糸膜と、を備え、
   前記筐体は、一方の主面に複数の供給口を有し、他方の主面に複数の排出口を有し、
   前記複数の供給口の少なくとも１つは閉塞可能であり、前記複数の排出口の少なくとも１つは閉塞可能であり、
   前記複数の中空糸膜の各々は、一方の端部に第１開口を有し、他方の端部に第２開口を有し、
   前記第１開口および前記第２開口は前記筐体の外部に連通し、前記筐体の内部に連通していない、平型中空糸膜モジュール。
2. 前記複数の供給口および前記複数の排出口は、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜の外側に配置されている、請求項１に記載の平型中空糸膜モジュール。
3. 前記複数の供給口は、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜に対して対向する位置に配置された２つの供給口を含み、該２つの供給口のいずれかは閉塞可能であり、
   前記複数の排出口は、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜に対して対向する位置に配置された２つの排出口を含み、該２つの供給口のいずれかは閉塞可能である、請求項２に記載の平型中空糸膜モジュール。
4. 前記筐体の主面に垂直な方向から見て前記筐体の外側に、
   前記複数の中空糸膜の内部に前記第１開口を介して連通する第１流路と、
   前記複数の中空糸膜の内部に前記第２開口を介して連通する第２流路と、をさらに備え、
   前記第１流路は、第１流入口および第１流出口を有し、
   前記第２流路は、第２流入口および第２流出口を有し、
   前記第１流入口および前記第２流入口のいずれか一方は閉塞可能であり、
   前記第１流出口および前記第２流出口のいずれか一方は閉塞可能である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の平型中空糸膜モジュール。
5. 前記第１流路と前記第２流路とは、前記筐体の主面に垂直な方向から見て、前記複数の中空糸膜に対して対向する位置に配置されている、請求項４に記載の平型中空糸膜モジュール。
6. 前記複数の中空糸膜は、前記筐体の主面に平行な方向に、互いに所定の隙間を空けて配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の平型中空糸膜モジュール。
7. 前記複数の中空糸膜は、複数の中空糸膜が平面的に配置された状態で一体化されてなる中空糸膜束シートを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の平型中空糸膜モジュール。
8. 前記中空糸膜束シートにおいて、複数の中空糸膜は相互に横糸で拘束されることにより一体化されている、請求項７に記載の平型中空糸膜モジュール。
9. 前記中空糸膜束シートは複数の貫通孔を有する整流シートを含み、
   前記中空糸膜束シートにおいて、複数の中空糸膜は前記整流シートの一方の面に固定されることにより一体化されている、請求項７に記載の平型中空糸膜モジュール。
10. 前記筐体内に複数の貫通孔を有する整流シートをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の平型中空糸膜モジュール。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の平型中空糸膜モジュールを複数備える、膜分離ユニット。

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