JPWO2020111158A1 - 膜蒸留モジュール及び膜蒸留装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明では、疎水性多孔質膜が収容されたカートリッジをハウジングに収納した状態のモジュールを用い、該モジュールの液相部に被処理水を通し、その気相部から水蒸気を取出して冷却・凝集させ、蒸留水として回収するための膜蒸留モジュール、及びそれを用いる膜蒸留装置に関する。
従来の膜蒸留法では、膜が乾いた状態においては、膜内部へは液体が侵入せず、蒸気のみが膜を通過するため、高純度の蒸留水が得られる利点がある。しかしながら、膜を長期間使用した場合、表面張力の小さな被処理水を使用した場合等においては、膜を被処理水が通過する「通液」(ウェッティング(Wetting))が起こり、蒸留水への原水(被処理水)の混入、蒸留効率の低下等の問題が生じることがある。ウェッティングには、膜の孔径、膜の疎水性、被処理液の表面張力等が関与する。一方、膜の蒸気透過性能、それに付随する膜蒸留装置のコンパクト性等には、膜蒸留に使用される多孔質膜の孔径又は表面開口率が寄与することが知られている(特許文献1及び2)。
特許文献2には、水処理能力とコンパクト性を有する膜蒸留装置に使用される膜として、被処理水に接する膜表面の表面開口率が20%以上70%以下である疎水性多孔質中空糸膜が提案されており、かつウェッティングを抑制するという観点から10μm以下の平均孔径が検討されている。
また、膜蒸留におけるウェッティングを抑制するために、多孔質膜の表面を改質することも知られている(特許文献3)。特許文献3には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等で構成された多孔質膜の表面が油分に覆われて濡れ易くなることを抑制するために、フッ素化モノマー又はその重合体で多孔質膜の表面を処理して撥液性にすることが記載されている。
更に、膜蒸留を長時間継続実施すると、多孔質膜が汚染され、又は劣化する場合がある。このようなときには、膜を洗浄又は交換することを要するが、従来の膜蒸留装置では、これらの操作が煩雑であった。
本発明は、これらの懸念が払拭され、減圧及び高温の条件下においても、線膨張係数の相違に基づく各部材の寸法変化量の差を吸収することにより、モジュール内の密閉性を維持して減圧状態を保つことができ、高い効率の膜蒸留を長時間継続して実施することができるとともに、膜が汚染され又は劣化したときに膜の洗浄及び交換が容易な膜蒸留モジュール及び膜蒸留装置を提供することを目的とする。
シート状又は中空糸状の疎水性多孔質膜を含む膜蒸留用膜カートリッジ。
《態様2》
態様1に記載の膜蒸留用膜カートリッジと、
前記膜蒸留用膜カートリッジを収納する膜蒸留用ハウジングと
を有する膜蒸留モジュール。
《態様3》
前記膜蒸留用膜カートリッジは、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜が固定されている膜固定部を有し、
前記膜蒸留モジュールは、前記膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に垂直な断面において、前記膜固定部の外周の円換算径をdF(mm)、前記固定用樹脂の線膨張係数をkF(1/℃)、前記膜蒸留用ハウジングの内周の円換算径をdE(mm)、前記膜蒸留用ハウジングを構成する材料の線膨張係数をkE(1/℃)としたとき、下記数式:
《態様4》
中空糸状又はシート状の疎水性多孔質膜を含む膜蒸留用膜カートリッジと、
前記膜蒸留用膜カートリッジを収納する膜蒸留用ハウジングと
を有する膜蒸留モジュールであって、
前記膜蒸留用膜カートリッジは、
略円柱状又は略多角柱状の形状を有し、
前記略円柱状又は略多角柱状の軸方向の両端部に、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜が固定されている膜固定部を有し、
前記膜蒸留用ハウジングは、前記膜蒸留用膜カートリッジを収納するためのハウジング本体と、前記ハウジング本体に装着される1個又は2個のハウジング蓋部とを有し、
前記膜蒸留モジュールは、前記膜蒸留用ハウジング内に前記膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、
前記膜固定部の外側面がシール用部材を介して前記膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されることによって、前記膜蒸留用膜カートリッジが前記膜蒸留用ハウジング内に固定されている支持部を有し、
前記疎水性多孔質膜、前記膜固定部、及び前記シール用部材によって、被処理液が流通する液相部と、前記被処理液から発生した蒸気が前記疎水性多孔質膜を通過して拡散して行く気相部と、に分割されており、そして、
前記支持部の、前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向に垂直な断面において、
前記膜固定部の外周の円換算径をdF(mm)、前記固定用樹脂の線膨張係数をkF(1/℃)、前記膜蒸留用ハウジングの内周の円換算径をdE(mm)、前記膜蒸留用ハウジングが前記シール用部材と接する部分における前記ハウジング本体を構成する材料の線膨張係数をkE(1/℃)としたとき、下記数式:
《態様5》
前記シール用部材が、前記膜蒸留用膜カートリッジの前記膜固定部の外周面と接触しており、
前記シール用部材の前記膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に垂直な方向の長さが1mm以上である、態様4に記載の膜蒸留モジュール。
《態様6》
前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向両端部以外の部分のうちの少なくとも一部がネット及び不織布のうちの少なくとも一方に覆われている、態様4又は5に記載の膜蒸留モジュール。
《態様7》
前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向両端部の固定用樹脂によって固定された少なくとも1本の棒状体を更に有する、態様4〜6のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様8》
前記棒状体が中空であり、かつ、側面に孔を有し、
前記棒状体の中空の内部が前記膜蒸留モジュールの気相部と連通している、態様7に記載の膜蒸留モジュール。
《態様9》
前記棒状体が多孔質体であり、
前記棒状体の細孔が前記膜蒸留モジュールの気相部と連通している、態様8に記載の膜蒸留モジュール。
《態様10》
前記シート状の疎水性多孔質膜が、プリーツ状疎水性多孔質膜である、態様4〜9のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様11》
前記疎水性多孔質膜が、スパイラル状疎水性多孔質膜である、態様4〜9のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様12》
前記膜蒸留用膜カートリッジは、軸方向の両端部以外の部分がカートリッジケースで覆われており、
前記カートリッジケースは、カートリッジケース開口部を有し、
前記カートリッジケース開口部の面積は、前記疎水性多孔質膜の膜面積の250分の1以上であり、かつ、
前記カートリッジケースを構成する材料の線膨張係数kCと、前記固定用樹脂の線膨張係数をkFとの比(kC/kF)が0.3以上4.0未満である、態様10に記載の膜蒸留モジュール。
《態様13》
前記ハウジング本体が、その側面部に、前記膜蒸留モジュールの気相部に連通して、気相部内の蒸気を前記膜蒸留モジュールの外部に取り出すための蒸気取出口を有し、
前記蒸気取出口の面積は、前記疎水性多孔質膜の膜面積の250分の1以上である、
態様4〜10又は12に記載の膜蒸留モジュール。
《態様14》
前記ハウジング本体が、
前記膜蒸留モジュールの気相部と接触して、前記気相部内の前記蒸気を凝縮させるための冷却体、及び
前記冷却体によって前記蒸気が凝縮した蒸留水を取り出すための蒸留水取出部
を有する、
態様4〜12のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様15》
前記ハウジング本体が、前記気相部を減圧にするための排気口を有する、態様14に記載の膜蒸留モジュール。
《態様16》
前記ハウジング本体が、デミスターを有する、態様13〜15のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様17》
前記疎水性多孔質膜が、複数の中空糸状疎水性多孔質膜から成り、
前記複数の中空糸状疎水性多孔質膜が、複数の小束に分割され、前記複数の小束が、前記膜固定部を前記膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に垂直な方向の断面に分散して配置されている、
態様4〜9及び12〜16のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様18》
前記膜蒸留用ハウジング内に前記膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、前記膜蒸留モジュールの気相部に連通して、気相部内の蒸気を前記膜蒸留モジュール外部に取り出すための蒸気取出管が、前記膜蒸留用ハウジングから外部に突出している、態様11に記載の膜蒸留モジュール。
《態様19》
前記膜蒸留用ハウジングの外側の少なくとも一部に、保温層を有する、態様4〜18のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
《態様20》
少なくとも、態様4〜13及び16〜19のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール、及び
前記膜蒸留モジュールから発生した蒸気を凝縮するための蒸気凝縮ユニットを具備する、膜蒸留装置。
《態様21》
少なくとも、態様14又は15に記載の膜蒸留モジュールを具備する、膜蒸留装置。
膜蒸留用ハウジングは、膜蒸留用膜カートリッジを収納するためのハウジング本体と、ハウジング本体に装着される1個又は2個のハウジング蓋部とを有することが好ましい。
本発明の膜蒸留モジュールは、膜蒸留用ハウジング内に膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、膜蒸留用膜カートリッジの疎水性多孔質膜及び膜固定部、並びにシール用部材によって、被処理液が流通する液相部と、被処理液から発生した蒸気が疎水性多孔質膜を通過して拡散して行く気相部と、に分割されていてよい。
膜蒸留用膜カートリッジの「軸方向」とは、膜蒸留用膜カートリッジにおける略円柱状又は略多角柱状の形状の軸方向であってよい。更に、上記数式によって値Cを算出する際の、膜蒸留用ハウジング構成材料の線膨張係数kEとしては、膜蒸留用ハウジングがシール用部材と接する部分における、ハウジング本体を構成する材料の線膨張係数を採用してよい。
中空糸状又はシート状の疎水性多孔質膜を含む膜蒸留用膜カートリッジと、
前記膜蒸留用膜カートリッジを収納する膜蒸留用ハウジングと
を有する膜蒸留モジュールであって、
前記膜蒸留用膜カートリッジは、
略円柱状又は略多角柱状の形状を有し、
前記略円柱状又は略多角柱状の軸方向の両端部に、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜が固定されている膜固定部を有し、
前記膜蒸留用ハウジングは、前記膜蒸留用膜カートリッジを収納するためのハウジング本体と、前記ハウジング本体に装着される1個又は2個のハウジング蓋部とを有し、
前記膜蒸留モジュールは、前記膜蒸留用ハウジング内に前記膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、
前記膜固定部の外側面がシール用部材を介して前記膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されることによって、前記膜蒸留用膜カートリッジが前記膜蒸留用ハウジング内に固定されている支持部を有し、
前記疎水性多孔質膜、前記膜固定部、及び前記シール用部材によって、被処理液が流通する液相部と、前記被処理液から発生した蒸気が前記疎水性多孔質膜を通過して拡散して行く気相部と、に分割されており、そして、
前記支持部の、前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向に垂直な断面において、
前記膜固定部の外周の円換算径をdF(mm)、前記固定用樹脂の線膨張係数をkF(1/℃)、前記膜蒸留用ハウジングの内周の円換算径をdE(mm)、前記膜蒸留用ハウジングが前記シール用部材と接する部分における前記ハウジング本体を構成する材料の線膨張係数をkE(1/℃)としたとき、下記数式:
以下、本発明の好ましい態様における膜蒸留モジュールが有する各要素について、順に説明する。
膜蒸留用膜カートリッジは、シート状又は中空糸状の疎水性多孔質膜を含み、
略円柱状又は略多角柱状の形状を有し、
前記略円柱状又は略多角柱状の軸方向の両端部に、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜が固定されている膜固定部を有する。
膜蒸留用膜カートリッジの形状における「略円柱状」とは、例えば、円柱状、楕円柱状等、及びこれらに類似する形状を包含する。「略多角柱状」とは、例えば、頂点の数が3〜100の多角形を底面とする多角柱状、及びこれらに類似する形状を包含する。「これらに類似する形状」とは、円柱、多角柱等の角がカットされている形状、角が丸みを帯びている形状、軸が屈曲又は湾曲している形状、及びこれらの組み合わせ等を含む概念である。膜蒸留用膜カートリッジの形状としては、円柱状、楕円柱状、頂点の数が4〜12の多角形を底面とする多角柱状、及びこれらに類似する形状が好ましく、円柱状、楕円柱状、4角柱状、及びこれらに類似する形状がより好ましい。
膜蒸留用膜カートリッジは、疎水性多孔質膜及び固定用樹脂のみから構成されていてもよいし、これら以外に、例えば、棒状体、ネット、不織布、カートリッジケース等から選択される1種以上の部材を、任意的に有していてもよい。
本発明における膜蒸留用カートリッジは、後述の膜蒸留用ハウジングとセットにして、膜蒸留モジュールとして使用することにより、有用な効果を奏する他、他の機能を有するシステムの中に組み込むためのエレメントとして用いることも可能である。
本実施形態に係る疎水性多孔質膜は、膜の一方の面から他方の面まで連通している細孔(連通孔)を持つことが必要である。この連通孔は、ポリマー等の膜材料のネットワークに包含されてよく、枝分かれした孔でも直通孔でもよい。この細孔は、蒸気を通すが、被処理水(液体)を通さないことが必要である。
多孔質膜は、疎水性であることがウェッティング防止に必要である。疎水性を表す指標に水接触角がある。本実施形態では、疎水性多孔質膜のいずれの部位も、水接触角が90°以上であることが好ましく、より好ましくは110°以上、更に好ましくは120°以上である。水接触角には特に上限はないが、現実的には150°程度以下とすることが好ましい。
水接触角は、液滴法により測定される。液滴法は、例えば2μLの純水を測定対象物の表面に滴下し、測定対象物と液滴とにより形成される角度を、投影画像からの解析によって数値化する方法である。
疎水性多孔質膜の平均孔径は、0.01μm以上1.0μm以下の範囲内であることが好ましく、0.03μm以上0.6μm以下の範囲内であることがより好ましい。平均孔径が0.01μm未満では、蒸気の透過抵抗が大きくなり過ぎて、蒸留水の生産速度が遅くなり、1.0μmより大きいと膜の疎水性を向上してもウェッティング抑制が困難になるため、適さない。蒸留水の生産速度とウェッティング抑制との両立の観点から、疎水性多孔質膜の孔径分布は狭い方が好ましい。具体的には、平均孔径に対する最大孔径の比が1.2〜2.5の範囲内である孔径分布を有することが好ましい。
蒸留水の生産速度の面から、疎水性多孔質膜の空孔率は、50体積%以上85体積%以下であることが好ましい。この値が50体積%未満では蒸留水の生産速度が遅く、85体積%より大きい場合は膜自体の強度が低下し、長期使用の際に破断等の問題が発生するおそれがあるため適さない。
シート状の疎水性多孔質膜は、プリーツ状又はスパイラル状であってよい。
図2に、中空糸状疎水性多孔質膜の一例を示した。
図2の疎水性多孔質膜(11)は、中空の糸状(筒状)の形状を有し、外壁部分が疎水性多孔質膜によって構成されている。被処理水(A)は、例えば疎水性多孔質膜(11)の中空部分に導入される。そして、被処理水から分離された蒸気(B)が中空糸の外壁を通過して中空糸外部に拡散するとともに、蒸留後の被処理水(A’)が疎水性多孔質膜(11)の中空部分を通過して、外部に排出される。被処理水(A)が疎水性多孔質膜(11)の外壁から導入され、被処理水から分離された蒸気(B)が中空糸の外壁を通過して中空糸の中空部分に拡散する構成であってもよい。
疎水性多孔質膜が中空糸状である場合、膜蒸留用膜カートリッジの軸方向は、中空糸状疎水性多孔質膜の軸方向と一致していることが好ましい。
図3の疎水性多孔質膜(11)は、例えば矩形のシート状疎水性多孔質膜を、矩形の一辺に平行な折れ線によって交互に山折り及び谷折りとしたうえで、折れ線に平行な方向を軸として丸め、多数のヒダ(プリーツ)を有する筒状に構成されている。被処理水(A)は、例えば疎水性多孔質膜(11)の中央の空洞部分に導入される。そして、被処理水から分離された蒸気(B)が疎水性多孔質膜(11)を通過して外部に拡散するとともに、蒸留後の被処理水(A’)が疎水性多孔質膜(11)の中央の空洞部分を通過して、外部に排出される。被処理水(A)が疎水性多孔質膜(11)の外側から導入され、被処理水から分離された蒸気(B)が疎水性多孔質膜(11)を通過して中央の空洞部分に拡散する構成であってもよい。
疎水性多孔質膜がプリーツ状である場合、膜蒸留用膜カートリッジの軸方向は、ヒダを有する筒状に丸められた疎水性多孔質膜における筒の軸方向と一致していることが好ましい。
図4では、例えば2枚の疎水性多孔質膜(11)が、液相部スペーサー(18)及び気相部スペーサー(19)とともに、疎水性多孔質膜(11)、液相部スペーサー(18)、疎水性多孔質膜(11)、及び気相部スペーサー(19)の順に積層された4層構成の積層体とされた状態で、棒状体(17)を巻回軸として巻回された構成が示されている。被処理水(A)は、例えば液相部スペーサー(18)によって形成される液相部に導入される。被処理水(A)から分離された蒸気(B)は、疎水性多孔質膜(11)を通過して、気相部スペーサー(19)によって形成される気相部に拡散し、棒状体(17)を通って外部に排出される。図4における符号「B*」は、被処理水(A)から分離された蒸気が疎水性多孔質膜(11)を通過して気相部に拡散して行く様子を示している。
棒状体(17)は、膜蒸留用ハウジング内に膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、膜蒸留モジュールの気相部に連通して、気相部内の蒸気を膜蒸留モジュール外部に取り出すための蒸気取出管として機能する。したがってこの棒状体(17)は、棒の側面から棒内部へと気体が通過可能な構成であってよく、例えば、中空であって側壁面に孔を有する構成であってもよいし、多孔質体であってもよい。また、この棒状体(17)は、膜蒸留用ハウジング内に膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、膜蒸留用ハウジングから外部に突出していてよい。
なお、膜蒸留用膜カートリッジにおける棒状体について、詳しくは後述する。
疎水性多孔質膜がスパイラル状である場合、膜蒸留用膜カートリッジの軸方向は、2枚の疎水性多孔質膜、液相部スペーサー、及び気相部スペーサーから成る巻回体の巻回軸の方向と一致していることが好ましい。
上記のとおり、疎水性多孔質膜は中空糸状又はシート状であるが、本実施形態の膜蒸留モジュールでは、コンパクト化の観点から、単位体積当たりの膜面積を大きくすることができる中空糸状の疎水性多孔質膜を用いることが好ましい。
中空糸状の疎水性多孔質膜の場合、その外径は、例えば、0.3mm以上5.0mm以下、好ましくは0.35mm以上4.0mm以下であり、内径は、例えば、0.2mm以上4.0μm以下、好ましくは0.25mm以上3.0mm以下である。
疎水性多孔質膜の製造方法としては、溶融状態の樹脂膜を冷却することにより相分離を起こして多孔質層を形成させる熱誘起相分離法、又は溶液状体の樹脂膜を非溶剤と接触させることで相分離を起こして多孔質層を形成させる乾湿式法(非溶媒相分離法)を好適に用いることができる。
(ア)シランカップリング剤と反応させることで、架橋構造を形成するシリコーン系ポリマー、及びポリマーゲル;
(イ)シロキサン結合を持つ樹脂、例えば、ジメチルシリコーンゲル、メチルフェニルシリコーンゲル、アミノ基等の有機官能基が導入された反応性変性シリコーンゲル、フロロアルキル変性を行ったシリコーンゲル;
(ウ)側鎖に(パー)フルオロアルキル基、(パー)フルオロポリエーテル基、アルキルシリル基、フルオロシリル基等を持つポリマーを溶剤に溶かしたもの;
(エ)側鎖にフルオロアルキル基、アルキルシリル基、フルオロシリル基等を持つ疎水
性ポリマー薄膜;
(オ)側鎖にフルオロアルキル基、アルキルシリル基、フルオロシリル基等を持つ撥水
剤、等。
疎水性ポリマーとしては、特に、炭素数1〜12の(パー)フルオロアルキル基、( パー) フルオロポリエーテル基を有する(メタ)アクリレート系モノマー、及びビニル系モノマーから選択される1種以上の重合体が、好ましい。
膜蒸留用膜カートリッジにおける膜固定部は、カートリッジの軸方向両端部において、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜が固定されている部分である。
具体的には、小束内の中空糸膜間の距離を3mm未満とすることが好ましく、より好ましくは2mm未満である。小束の直径は、60mm未満とすることが好ましく、より好ましくは50mm未満である。小束間の距離は、3mm以上が好ましく、より好ましくは4mm以上である。
図5の膜蒸留用膜カートリッジ(10)は、その軸方向の両端部に、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜(11)が固定されている膜固定部(12)を有する。図5(B)を参照すると、複数の疎水性多孔質膜(11)が、各7本ずつの小束(11a)を1単位として7単位に分割され、それらが膜固定部(12)の断面に分散して配置されている様子が理解される。図5(B)において、小束の直径は符号「d11a」で表される長さであり、小束内の中空糸膜間の距離は符号「i1」で表される長さであり、小束間の距離は符号「i2」で表される長さである。
疎水性多孔質膜として中空糸状の疎水性多孔質膜を用いる場合、接着方法として、例えば、遠心接着、静置接着等の公知の接着方法を採用することができる。
遠心接着は、中空糸状の疎水性多孔質膜を束ね、その両端部を目止めしたうえで、中空糸の長さ方向の中央部から両端部へと遠心力がかかるように回転させながら、接着剤を流し込む方法である。その後、中空糸両端部の目止めされた部分を切断することにより、中空糸の束の開口した端部が固定用樹脂によって固定された膜固定部を得ることができる。
静置接着は、中空糸状の疎水性多孔質膜を束ね、その端部を目止めしたうえで、目止めした端部を下にして立たせた状態で、接着剤を流し込む方法である。その後、中空糸端部の目止めされた部分を切断することにより、中空糸の束の開口した端部が固定用樹脂によって固定された膜固定部を得ることができる。静置接着は、中空糸の片端ごとに順次に行われてよい。
本実施形態における膜蒸留は、疎水性多孔質膜の気相部を減圧状態にして運転されるため、膜蒸留用膜カートリッジにはその軸方向に下記式で示される圧縮応力がかかる。
圧縮応力[kgf]=(膜固定部の断面積[cm2])×{(液相部の被処理水圧力[kPa])−(気相部の圧力[kPa])}×98.0665
膜蒸留用膜カートリッジが上記圧縮応力により寸法変化してしまうと、カートリッジとハウジングとの間のシール性が損なわれ、気密性を保てなくなる。そこで、膜蒸留用膜カートリッジは、圧縮応力に対する耐圧性を有する必要がある。具体的には、上記圧縮応力が付加される前後でのカートリッジの軸方向における寸法変化が、5%未満であることが好ましく、より好ましくは3%未満である。
膜蒸留膜カートリッジにこのような耐圧性を付与するには、例えば、後述の棒状体を側芯棒として機能させる方法、膜蒸留用膜カートリッジを膜蒸留用ハウジングに挿入した後にカートリッジの膜固定部とハウジングとをネジ止め等によって固定する方法、疎水性多孔性膜及びこれを固定する膜固定部のうちの両端部以外の側面の少なくとも一部をカートリッジケースで覆う方法等を採用できる。膜蒸留用膜カートリッジと膜蒸留用ハウジングとのネジ止めについては、両者間を直接ネジ止めしてもよいし、両者間に配置された適当な部材を介して間接的にネジ止めしてもよい。カートリッジケースについては後述する。
膜蒸留用膜カートリッジは、カートリッジ軸方向両端部の固定用樹脂によって固定された少なくとも1本の棒状体を更に有していてもよい。この棒状体は、例えば、カートリッジの機械的強度を補強し、特に圧縮応力に対する耐久性を付与する「側芯棒」としての機能を有していてよく、又は、被処理水から発生してカートリッジ内の気相部に拡散した蒸気を膜蒸留モジュールの気相部に誘導し、膜蒸留モジュール外部への排出を促進する「蒸気取出棒」としての機能を有していてもよい。
側芯棒として機能する棒状体は、例えば、金属製又は樹脂製の、中実の棒又は中空の棒(パイプ)を用いてよい。
側芯棒は、膜蒸留用膜カートリッジ両端部の膜固定部間を連結するように配置されてよく、これにより、膜蒸留用膜カートリッジに圧縮応力に対する抵抗力を付与することができる。
側芯棒の長さは、例えば、疎水性多孔質膜の有効長よりも長く、疎水性多孔質膜の全長よりも短くてよい。
側芯棒の数は、1本以上であってよく、好ましくは1〜12本であり、より好ましくは2〜6本である。
膜蒸留用膜カートリッジの径が太くなると、膜束の中心部から外周部までの圧力損失によって、膜束中心部の蒸気発生量が減少することが懸念される。そこで、膜束中心部に蒸気取出棒として機能する棒状体を配置すると、膜束中心部からカートリッジ外部への蒸気の通り道が作られ、膜束全体を均一に使用することができる。
蒸気取出棒としての棒状体は、例えば、中空であって側面に孔を有する形態、多孔質体等であってよい。中空であって側面に孔を有する棒状体は、膜蒸留モジュールにおいて、棒状体の中空の内部が膜蒸留モジュールの気相部と連通することができ、蒸気取出棒として機能する。多孔質体である棒状体は、膜蒸留モジュールにおいて、棒状体の細孔が膜蒸留モジュールの気相部と連通することができ、蒸気取出棒として機能する。
多孔質体は、例えば、スポンジ、メッシュ等であってよい。多孔質体は、蒸気通過の際の抵抗にならないよう、空隙率の大きなものがよく、具体的には、空隙率50体積%以上が好ましく、より好ましくは70体積%以上である。
蒸気取出棒の数は、1本以上であってよく、好ましくは1〜6本であり、より好ましくは1〜3本である。
膜蒸留用膜カートリッジは、その軸方向両端部以外の部分のうちの少なくとも一部がネット及び不織布のうちの少なくとも一方に覆われていてよい。
(ネット)
高温運転時の疎水性多孔質膜のたるみ、運搬時の接触による疎水性多孔質膜の損傷の防止等を目的として、膜蒸留用膜カートリッジ内の疎水性多孔質膜の外周部の全部又は一部は、ネットで覆われていてもよい。
ネットの素材としては、特に制限はなく、例えば、樹脂、金属等であることができる。ネットは、単一の素材で構成されていてもよいし、異なる素材が組み合わさった構成でもよい。
ネットを構成する樹脂としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(4−メチルペンテン)、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン酢酸ビニル、ナイロン、ポリエステル、ポリ塩化ビニリデン−塩化ビニル共重合体、ポリ塩化ビニリデン−アクリロニトリル共重合体、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等が挙げられる。これらの複合素材であってもよい。疎水性多孔質膜への装着性及び耐熱性を考慮すれば、ネットを構成する樹脂としては、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等が好ましい。
ネットを構成する金属としては、網目状に加工できる一般的な金属を用いることができ、例えば、鉄、銅、真鍮、チタン、ニッケル、プラチナ、純銀、モリブデン、タングステン、アルミニウム、亜鉛、タンタル等、及びこれらの2種以上を含む合金等が挙げられる。ネットを構成する金属としては、加工の容易性の観点から、好ましくは、ステンレス、アルミ、鉄、及びチタンからなる群から選択される少なくとも1種を含む。
ウェッティングにより被処理水が疎水性多孔質膜の蒸気透過面側(気相部側)に漏れ出た際に、漏れ出た被処理水が製品の蒸留水に直接混入することの防止を目的として、膜蒸留用膜カートリッジの外周部の全部又は一部は、不織布に覆われていてもよい。
不織布の素材としては、特に制限はない。不織布は、単一の素材で構成されていてもよいし、異なる素材が組み合わさった構成でもよい。
不織布の素材としては、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(4−メチルペンテン)、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン酢酸ビニル、ナイロン、ポリエステル、ポリ塩化ビニリデン−塩化ビニル共重合体、ポリ塩化ビニリデン−アクリロニトリル共重合体、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等が挙げられる。これらの複合素材であってもよい。中空糸膜束への装着性及び耐熱性を考慮すれば、不織布の素材としては、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等が好ましい。
不織布は、透過する蒸気の抵抗にならないよう、十分な透気度を有することが好ましい。具体的には、不織布の空気の透気度は、0.5mL/cm2・sec以上であることが好ましく、より好ましくは2.0mL/cm2・sec以上である。
上記したとおり、本実施形態における膜蒸留は、疎水性多孔質膜の気相部を減圧状態にして運転されるため、膜蒸留用膜カートリッジにはその軸方向に圧縮応力がかかる。この圧縮応力による膜蒸留用膜カートリッジの寸法変化を抑制するため、膜蒸留用膜カートリッジは、軸方向の両端部以外の部分がカートリッジケースで覆われていてもよい。
カートリッジケースは、被処理水から発生した蒸気の流れを妨げないように、十分な面積を有するカートリッジケース開口部を有していてよい。カートリッジケース開口部の面積は、膜蒸留用膜カートリッジが有する疎水性多孔質膜の膜面積の250分の1以上であることが好ましく、より好ましくは200分の1以上である。
また、カートリッジケースは、膜固定部と直接接着されて固定されることが好ましい。この場合、温度変化に伴う寸法変化による両者の接着部分の剥離を防ぐため、カートリッジケースを構成する材料の線膨張係数(kC)と固定用樹脂の線膨張係数(kF)との比(kC/kF)は、0.3以上4.0未満であることが好ましく、より好ましくは0.3以上2.0未満である。
カートリッジケースの材料は、例えば、エポキシ樹脂、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンエーテル、ABS樹脂、繊維強化プラスチック、塩化ビニル樹脂等の樹脂から選択されることが好ましい。
カートリッジケースは、2つ以上に分割されていてもよい。
以下、膜蒸留用膜カートリッジの具体的態様について、図を参照しながら説明する。
疎水性多孔質膜が中空糸状であり、複数の中空糸状疎水性多孔質膜が束にまとめられており、膜蒸留用膜カートリッジが略円柱状の形状を有する場合を例として、幾つかの実施形態の概略断面図を図6〜図11に示した。
図6の膜蒸留用膜カートリッジ(10)は、その軸方向の両端部に、固定用樹脂によって中空糸状の疎水性多孔質膜(11)が固定されている膜固定部(12)を有する。この膜蒸留用膜カートリッジ(10)において、中空糸状の疎水性多孔質膜(11)の全長は「LALL」で表される長さであるが、その有効長は、膜蒸留用膜カートリッジの軸方向両端部にそれぞれ配置された2つの膜固定部間の最短距離として定義され、符号「LEFF」で表される長さである。
図7における膜蒸留用膜カートリッジ(10)は、カートリッジケース開口部(14)を有するカートリッジケース(13)で覆われていることにより、蒸留運転時の圧縮応力に対して高い耐性を有しながら、カートリッジ内部で被処理水から発生した蒸気の流れを妨げることがない。
図8の膜蒸留用膜カートリッジ(10)は、ネット(15)及び不織布(16)で覆われていることによって、高温運転時の疎水性多孔質膜のたるみ、及び運搬時の接触による疎水性多孔質膜の損傷が防止されており、更に、被処理水が疎水性多孔質膜の気相部側に漏れ出た際でも、漏れ出た被処理水の蒸留水への混入が防止される。
図9の膜蒸留用膜カートリッジ(10)は、側芯棒として機能する棒状体(17)を有することにより、蒸留運転時の圧縮応力に対して高い耐性を有する。
図10の膜蒸留用膜カートリッジ(10)における棒状体(17)は、側面に孔を有するパイプ状であり、中空の内部が膜蒸留モジュールの気相部と連通することができ、蒸気取出棒として機能する。図10における棒状体(17)は、中空糸状の疎水性多孔質膜(11)の束の略中央に配置され、端部が膜固定部(12)の端部から突出している。しかしこの棒状体(17)の端部は、膜固定部(12)の端部から突出していなくてもよい。
図11の膜蒸留用膜カートリッジ(10)における棒状体(17)は、多孔質体であり、細孔が膜蒸留モジュールの気相部と連通することができ、蒸気取出棒として機能する。図11における棒状体(17)は、中空糸状の疎水性多孔質膜(11)の束の略中央に配置され、端部が膜固定部(12)の端部と略同一平面状にある。しかしこの棒状体(17)の端部は、膜固定部(12)の端部から突出していてもよい。
図10及び図11の膜蒸留用膜カートリッジは、それぞれ、蒸気取出棒として機能する棒状体(17)を有することにより、膜蒸留膜カートリッジの径が太い場合でも、圧力損失による膜束中心部の蒸気発生量の減少が緩和されて、膜束全体を均一に使用することができる。
本実施形態に係る膜蒸留用ハウジングは、膜蒸留用膜カートリッジを収納するためのハウジング本体と、ハウジング本体に装着される1個又は2個のハウジング蓋部とを有する。
本実施形態の膜蒸留用ハウジングは、これに膜蒸留用膜カートリッジを収納して膜蒸留モジュールとしたときに、被処理液が流通する液相部と、被処理液から発生した蒸気が拡散して行く気相部と、に分割されるような構造を有していてよい。
本実施形態の膜蒸留用ハウジングにおけるハウジング本体は、膜蒸留用膜カートリッジを収納することができる形状を有する。したがってハウジング本体は、典型的には膜蒸留用膜カートリッジと略相似の形状(例えば、略円柱状又は略多角柱状)を有し、膜蒸留用膜カートリッジの軸と同じ方向の軸を有していてよいが、これに限られない。
本実施形態において、略円柱状又は略多角柱状のハウジング本体は、その軸方向の両端に、それぞれ1個ずつ、合計2個のハウジング蓋部を装着可能であり、ハウジング本体の軸方向の両端から膜蒸留用膜カートリッジの出し入れができる態様であってもよいし、ハウジング本体の軸方向の片端に1個のハウジング蓋部を装着可能であり、この一方の端部のみから膜蒸留用膜カートリッジの出し入れができる態様であってもよい。
高温かつ減圧下での蒸気流速増大に伴う圧力損失を防ぐため、蒸気取出口は、蒸気流速を一定値以下に留めるのに十分な面積を有することが好ましい。この観点から、ハウジング本体の蒸気取出口の面積は、膜蒸留用膜カートリッジに収容される疎水性多孔質膜の膜面積の250分の1以上であることが好ましく、より好ましくは200分の1以上である。ハウジング本体が複数の蒸気取出口を有する場合、蒸気取出口の面積は開口部全部の合計面積として評価される。ハウジング本体の蒸気取出口の面積の上限は、ハウジング本体の機械的強度を損なわない範囲で、当業者によって適宜定められてよい。
冷却体としては、従来技術の凝縮器で一般的に用いられている構造をとることができる。冷却体は、例えば、シェル・アンド・チューブ熱交換器、プレート熱交換器等であってよい。シェル・アンド・チューブ熱交換器は、複数の配管を平行に並べた構造を有し、配管内に冷媒を通過させることにより、配管の外部表面で蒸気を凝縮することができる。シェル・アンド・チューブ熱交換器を用いるとき、配管の長手方向が、膜蒸留用膜カートリッジの長手方向と、平行又は直行するように配置することが、蒸気の凝縮の効率性、及び膜蒸留モジュールのコンパクト化の観点から好ましい。プレート熱交換器は、複数のプレートを積層させて、これらの間隙に冷媒と蒸気とを交互に通過させることにより、蒸気側のプレートの表面で蒸気を凝縮することができる。プレートは、平板状、波板状等の形状であってよい。
ハウジング本体の材料と、冷却体の材料とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
ハウジング本体が、冷却体を有さず、蒸気取出口を有するとき、デミスターは、該蒸気取出口の全部又は一部に設置されてよい。一方、ハウジング本体が、内部に冷却体を有するとき、デミスターは、膜蒸留用膜カートリッジの装着予定場所から冷却体までの蒸気通過部の全部又は一部に設置されてよい。
デミスターは、疎水性多孔質膜を透過した蒸気と直接接触するため、その構成材料は、耐熱性、耐候性等の観点から選定される。デミスターの構成材料としては、例えば、樹脂、金属等が使用できるが、上記の観点から、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンエーテル、ABS樹脂、繊維強化プラスチック、塩化ビニル樹脂等の樹脂、及びステンレス、真鍮、チタン等の金属から選択されることが好ましい。
デミスターは、透過する蒸気の抵抗にならないよう、高い空隙率を有することが好ましい。具体的には、デミスターの空隙率は、50体積%以上が好ましく、より好ましくは70体積%以上である。デミスターの空隙率は、100体積%未満、98体積%以下、95体積%以下、又は90体積%以下であってよい。
本実施形態の膜蒸留用ハウジングにおけるハウジング蓋部は、膜蒸留用膜カートリッジを収納した後のハウジング本体に装着され、シール用部材とともに膜蒸留モジュールを構成する。
膜蒸留モジュールとしたときに、ハウジング蓋部の内部は、疎水性多孔質膜の例えば液相部と連通し、被処理水がハウジング蓋部の内部を介して疎水性多孔質膜の液相部内を流通し得る構成であってよい。したがってハウジング蓋部は、該ハウジング蓋部の内部から外部に開口する被処理水流通用蓋部開口部を有していてよい。
ハウジング蓋部は、ハウジング本体を構成する材料として上記に例示した材料群から適宜選択された材料から構成されていてよい。ハウジング蓋部を構成する材料は、ハウジング本体を構成する材料と同じであってもよいし、相違していてもよい。しかしながら、膜蒸留運転の高温時に、線膨張率の違いに起因する漏れの発生を防止するため、ハウジング蓋部は、ハウジング本体と同種の材料から構成されることが好ましい。
以下、膜蒸留用ハウジングの具体的態様について、図を参照しながら説明する。
膜蒸留用ハウジングが略円柱状の形状を有する場合を例として、幾つかの実施形態の概略断面図を図12〜図17に示した。
図12の膜蒸留用ハウジング(20)のハウジング本体(30)は、その側面部に開口する蒸気取出口(31)を有している。
図12の膜蒸留用ハウジング(20)の2つのハウジング蓋部(40)は、それぞれ、ハウジング蓋部の内部から外部に開口する被処理水流通用蓋部開口部(41)を有している。この被処理水流通用蓋部開口部(41)は、膜蒸留モジュールとしたときに該膜蒸留モジュールの液相部(例えば中空糸状の疎水性多孔質膜の中空部分)と連通して、膜蒸留モジュールの液相部内に被処理水を流通させる機能を有する。
ハウジング本体(30)とハウジング蓋部(40)とは、例えば、ハウジング本体(30)の有するハウジング本体フランジ(30a)と、ハウジング蓋部(40)の有するハウジング蓋部フランジ(40a)とによって固定されていてよい。このとき、ハウジング本体フランジ(30a)とハウジング蓋部フランジ(40a)との間に、適当なシール材を介在させてもよい。
ハウジング本体フランジ(30a)とハウジング蓋部フランジ(40a)とは、接触部の内側端に切り欠きを有し、シール用部材(50)の設置を容易化する構成であってもよい。この切り欠きは必須の要件ではない。
図13の膜蒸留用ハウジング(20)は、ハウジング本体(30)の蒸気取出口(31)に配置されたデミスター(32)を有するため、疎水性多孔質膜のウェッティングによって被処理水が気相側に漏れ出た場合でも、漏れ出た被処理水が蒸留水に混入することが防止されている。
図14の膜蒸留用ハウジング(20)は、ハウジング本体(30)の側面部に保温層(33)を有するため、被処理水から発生した蒸気が膜蒸留用ハウジング外壁で凝縮することが防止されており、発生した蒸気を効率よく膜蒸留用ハウジングの外部に取り出すことができる。
しかしながら図15の膜蒸留用ハウジング(20)では、ハウジング蓋部が装着されない側の端部において、ハウジング本体(30)が、シール用部材(50)を介して膜蒸留用膜カートリッジを支持するためのハウジング本体顎部(30b)を有しており、更に被処理水流通用蓋部開口部の代わりに被処理水を膜蒸留モジュールの液相部内に取り入れて流通させるための被処理水流通用ハウジング本体開口部(34)を有している。ハウジング本体顎部(30b)は、ハウジング本体(30)の内壁から内側に向かって突出する凸部であり、内壁を一周するように突出していてもよいし、内壁を一周する軌道上に断続的に突出していてもよい。
冷媒は、冷却体(35)の上下の開口部(35b)を介して、配管(35a)の内部を流通することができる。冷媒の流通方向は、上から下、及び下から上のどちらでもよいが、配管(35a)内部の空気の除去が容易であることから、下から上の方向に流通させることが好ましい。
図16の膜蒸留用ハウジング(20)は、冷却体(35)近傍の下部に、蒸留水取出口(36)を有し、この蒸留水取出口(36)から回収溶媒(S)、すなわち蒸留水を取り出すことができる。
なお、図16中の符号「E」は、排気口(37)からの排気を示す。
図16の膜蒸留用ハウジング(20)では、冷却体(35)として、シェル・アンド・チューブ熱交換器に代えて、プレート熱交換器等の他の冷却体を配置してもよい。
図17のハウジング蓋部(40)は、シール用部材(50)を介して膜蒸留用膜カートリッジを支持するためのハウジング蓋部顎部(40b)を有している。このハウジング蓋部顎部(40b)は、ハウジング蓋部(40)の内壁から内側に向かって突出する凸部であり、内壁を一周するように突出していてもよいし、内壁を一周する軌道上に断続的に突出していてもよい。図17のハウジング蓋部(40)におけるハウジング蓋部顎部(40b)は、ハウジング蓋部フランジ(40a)と略対称の位置に突出しているけれども、この態様に限られない。
図17の膜蒸留用ハウジング(20)におけるハウジング本体(30)は、図12の膜蒸留用ハウジングにおけるハウジング本体と同様であってもよいし、図15の膜蒸留用ハウジングにおけるハウジング本体と同様であってもよい。膜蒸留用ハウジングに2つのハウジング蓋部が装着される場合、ハウジング蓋部の2つとも図17に示したようなハウジング蓋部(40)であってもよいし、ハウジング蓋部のうちの1つが図17に示したハウジング蓋部(40)であり、他の1つが別の態様(例えば図12に示された態様)のハウジング蓋部であってもよい。
シール用部材は、膜蒸留用ハウジング内に膜蒸留用膜カートリッジを収納して膜蒸留モジュールとしたときに、膜蒸留用ハウジングと膜蒸留用膜カートリッジの膜固定部との間をシールして、膜蒸留モジュール内を、被処理液が流通する液相部と、被処理液から発生した蒸気が疎水性多孔質膜を通過して拡散して行く気相部と、に分割する機能を有する。適当な材料及びサイズのシール用部材として用いることにより、膜蒸留モジュール内で疎水性多孔質膜を通過する以外の処理液及び蒸気の移動が遮断され、効率的な膜蒸留の実施が可能となる。
上記の観点から、シール用部材は、柔軟であることが好ましい。また、シール用部材を介して圧力差が存在する状態で減圧を維持するために、シール用部材は適度な硬さを有することが好ましい。具体的には、タイプAデュロメータによって測定される押し込み硬さ(デュロメータ硬さ)が、A20以上A90以下であることが好ましく、A40以上A90以下であることがより好ましい。
本実施形態の膜蒸留モジュールでは、膜蒸留用ハウジング内に膜蒸留用膜カートリッジを収納して構成され、膜蒸留用膜カートリッジの膜固定部の外側面が、シール用部材を介して膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されて、両者間がシールされている。
膜蒸留モジュールの内部は、疎水性多孔質膜、膜固定部、及びシール用部材によって、被処理液が流通する液相部と、被処理液から発生した蒸気が疎水性多孔質膜を通過して拡散して行く気相部と、に分割されている。
本実施形態の膜蒸留モジュールでは、膜固定部の外側面がシール用部材を介して膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されることにより、膜蒸留用膜カートリッジが膜蒸留用ハウジング内に固定されている。本明細書では、膜蒸留用膜カートリッジが膜蒸留用ハウジング内に支持及び固定されている、シール用部材近傍の部分を「支持部」と称する。
本実施形態の膜蒸留モジュールでは、この支持部の、膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に垂直な断面において、
膜固定部の外周の円換算径をdF(mm)、固定用樹脂の線膨張係数をkF(1/℃)、膜蒸留用ハウジングの内周の円換算径をdE(mm)、膜蒸留用ハウジングがシール用部材と接する部分における膜蒸留用ハウジングを構成する材料の線膨張係数をkE(1/℃)としたとき、下記数式:
正方形の面積=a2
換算円の面積=π×(d/2)2
これらが等しいから、π×(d/2)2=a2
したがって、d=√{(4×a2)/π}
具体的には、例えば1辺の長さa=30mmの場合、d=33.9mm;a=50mmの場合、d=56.4mm;a=100mmの場合、d=113mm;a=300mmの場合、d=339mmと計算でき、支持部における膜固定部断面が正方形である場合、その円換算径dは正方形の1辺の長さaよりも少し大きな値(約1.13倍の値)となる。
なお、ハウジングの内表面と膜固定部の外周との間の間隙が、測定箇所によって異なる場合、dE及びdFの値としては、「dE−dF」が最小となる場所の値を用いる。
また、ハウジングが複数種類の材料から構成される場合、kEの値としては、ハウジングの内表面のうち、膜固定部に最も近い部分を構成する材料の線膨張係数を用いる。ハウジングの内表面のうち、膜固定部に最も近い部分が複数種類の材料から構成されている場合には、kEの値としては、kF−kE値が最も大きくなるような材料の線膨張係数を用いる。ハウジングの内表面のうち、膜固定部に最も近い部分が複数種類の材料から構成されている場合としては、例えば、ハウジング本体の構成材料とハウジング蓋部の構成材料とが異なる場合等が挙げられる。
ハウジング本体が樹脂製である場合、Cの更に好ましい範囲は、例えば、200℃以上、500℃以上、1,000℃以上、1,200℃以上、又は1,500℃以上であってよく、例えば、3,000℃以下、2,500℃以下、又は2,000℃以下であってよい。
ハウジング本体が金属製である場合、Cの更に好ましい範囲は、例えば、50℃以上、70℃以上、又は80℃以上であってよく、例えば、3,000℃以下、2,500℃以下、2,000℃以下、1,500℃以下、1,200℃以下、又は1,000℃以下であってよい。
膜蒸留用膜カートリッジの膜固定部の外側面がシール用部材を介して膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されていてもよいし、
膜蒸留用膜カートリッジの膜固定部の端面がシール用部材を介して膜蒸留用ハウジングの内側に突出する顎部に支持されていてもよい。
一方、膜固定部の端面がシール用部材を介して膜蒸留用ハウジングの内側に突出する顎部に支持されている場合、シール用部材の膜蒸留用膜カートリッジの軸方向と平行な方向の長さは、十分なシール性を確保する観点から、1mm以上であることが好ましく、より好ましくは1.5mm以上である。同様の観点から、この長さは、20mm以下であることが好ましく、より好ましくは15mm以下であり、更に好ましくは10mm以下である。
図18において、膜蒸留モジュールの支持部における、膜蒸留用膜カートリッジ(10)の膜固定部(12)の外周の円換算径は、符号「dF」で表される長さである。膜蒸留用ハウジング(20)の内周の円換算径は、符号「dE」で表される長さである。ここで、膜蒸留用ハウジング(20)の内周の円換算径としては、支持部(60)におけるハウジング本体(30)の内周の円換算径と、ハウジング蓋部(40)の内周の円換算径と、のうちの小さい方を採用する。また、ハウジング本体フランジ(30a)の内側若しくはハウジング蓋部フランジ(40a)の内側、又はこれらの双方に切り欠きを有するとき、円換算径の算出にこの切り欠きは考慮されない。このように解することにより、上記数式によってC値を計算するに際して、膜蒸留用ハウジングと膜蒸留用膜カートリッジと間のクリアランスを計算に含めることができる。
図18において、シール用部材(50)の膜蒸留用膜カートリッジ(10)の軸方向に垂直な方向の長さは、符号「w50」で表される長さである。
なお、ハウジング本体(30)を構成する材料と、ハウジング蓋部(40)を構成する材料とが相違する場合、C値を計算する上記数式における膜蒸留用ハウジング構成材料の線膨張係数(kE)としては、両者のうちの線膨張係数が小さい方の値を採用する。
図19では、膜蒸留用膜カートリッジ(10)の膜固定部(12)の端面が、シール用部材(50)を介して膜蒸留用ハウジング(20)の内側に突出するハウジング蓋部顎部(40b)に支持されている。
図19において、シール用部材(50)の膜蒸留用膜カートリッジ(10)の軸方向に平行な方向の長さは、符号「h50」で表される長さである。
疎水性多孔質膜が中空糸状であり、複数の中空糸状疎水性多孔質膜が束にまとめられており、膜蒸留モジュールが略円柱状の形状を有する場合を例とする概略断面図として示した。図1(A)は膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に平行な方向の断面図であり、図1(B)は、図1(A)のA−A線断面図である。
膜蒸留用膜カートリッジ(10)は、円柱状の軸方向の両端部に、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜(11)が固定されている膜固定部(12)を有する。
膜蒸留用ハウジング(20)は、ハウジング本体(30)とこれに装着される2個のハウジング蓋部(40)とを有する。
ハウジング本体(30)とハウジング蓋部(40)とは、それぞれが有するハウジング本体フランジ(30a)及びハウジング蓋部フランジ(40a)によって固定されている。このハウジング本体(30)とハウジング蓋部(40)との固定部分の近傍に、膜蒸留用膜カートリッジ(10)の膜固定部(12)の外側面がOリング状のシール用部材(50)を介して膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されることによって、膜蒸留用膜カートリッジ(10)が膜蒸留用ハウジング(20)内に固定されている支持部(60)を有する。
ハウジング本体(30)は、その側面部に、膜蒸留モジュール(100)の気相部(80)に連通して、気相部(80)内の蒸気を膜蒸留モジュール(100)の外部に取り出すための蒸気取出口(31)を有している。2つのハウジング蓋部(40)は、それぞれ、ハウジング蓋部の内部から外部に開口する被処理水流通用蓋部開口部(41)を有している。
図1において、液相部と気相部とを逆転させ、ハウジング蓋部(40)の内部空間、及び中空糸状の疎水性多孔質膜(11)の中空部分を気相部とし、ハウジング本体(30)の内壁、疎水性多孔質膜(11)の外壁、及び膜固定部(12)に囲まれた空間を液相部とする構成も、本発明に包含される。
図1(B)には、膜蒸留用ハウジング(20)の内周の円換算径(dE)、及び膜固定部(12)の外周の円換算径(dF)の長さが示されている。両者の差分(dE−dF)は、膜蒸留用ハウジング(20)と膜固定部(12)との間のクリアランスの2倍にほぼ等しい。膜蒸留用ハウジング(20)と膜固定部(12)との間のクリアランスは、Oリング状のシール用部材(50)で充填されている。
被処理水の温度は、例えば、熱交換器、ヒーター等の熱源により加熱してもよいし、太陽熱、産業プロセス等からの排熱を活用して加熱してもよい。太陽熱又は排熱を利用することが、被処理水の加熱に要する熱エネルギーコストを削減する観点から好ましい。加熱前の被処理水の温度が50℃以上であれば、排熱を有効利用することができる。
膜蒸留で実現しうる透過水量(Flux)は、被処理水の温度に応じて適宜設定されてよい。しかしながら、蒸留水の生産効率の向上と塩の透過抑制とをバランスさせる観点から、例えば、以下の設定を例示できる。
被処理水(原水)として65℃、3.5質量%の塩水を用い、該被処理水を、線速100cm/秒で有効長が8cmの中空糸状疎水性多孔質膜の内側に接触させ、かつ、疎水性多孔質膜の外側を−90kPa(G)の減圧とする条件下で、1時間連続運転したときの透過水量(Flux)は、10kg/m2/hr以上とすることが好ましく、10kg/m2/hr以上1,000kg/m2/hr以下とすることがより好ましい。同条件下で、疎水性多孔質膜の外側に析出する塩(溶質)の量は、0.4mg/cm2/hr以下とすることが好ましい。
Flux及び塩の析出量は、それぞれ、下記数式:
Flux=所定時間の運転で得られた蒸留水の質量÷疎水性多孔質膜の面積÷運転時間
塩の析出量=所定時間の運転で析出した塩の質量÷疎水性多孔質膜の面積÷運転時間
により算出できる。
本実施形態の膜蒸留装置は、
本実施形態におけるハウジング本体が冷却体を有さない場合には、本実施形態の膜蒸留モジュール、及び膜蒸留モジュールから発生した蒸気を凝縮するための蒸気凝縮ユニットを具備していてよく、又は
本実施形態におけるハウジング本体が冷却体を有する場合には、蒸気凝縮ユニットは不要であり、本実施形態の膜蒸留モジュールを具備していてよい。ハウジング本体が冷却体を有する場合には、蒸気凝縮ユニットの具備は必須ではないが、これを具備していてもよい。
本実施形態の膜蒸留装置は、膜蒸留モジュール、及び存在する場合には蒸気凝縮ユニットを有し、それ以外に、例えば、凝縮液タンク、圧力調整器、減圧装置等を、更に備えていてよい。
図20の膜蒸留装置(500)は、膜蒸留モジュール(100)及び蒸気凝縮ユニット(200)を具備し、膜蒸留モジュール(100)の気相部は、蒸気取出口(31)を介して蒸気凝縮ユニット(200)の気相部と連通している。蒸気凝縮ユニット(200)は、配管によって凝縮液タンク(210)、圧力調整器(220)、及び減圧装置(230)と連結されている。
蒸気凝縮ユニット(200)の気相部は、凝縮液タンク(210)を介して圧力調整器(220)及び減圧装置(230)により、適当な減圧に調整されている。蒸気凝縮ユニット(200)の冷却体は、冷却水(CW)によって冷却されている。図20の膜蒸留装置(500)では、冷却水(CW)は、蒸気凝縮ユニット(200)の上部から導入されて、蒸気凝縮ユニット(200)の内部を下向きに流通し、下部から排出されている。しかし、冷却水(CW)は、蒸気凝縮ユニット(200)の下部から導入されて、蒸気凝縮ユニット(200)の内部を上向きに流通し、上部から排出されてもよい。冷却水(CW)は、蒸気凝縮ユニット(200)の内部を上向きに流通させる方が、配管内部の空気の除去が容易であるため、好ましい。
膜蒸留モジュール(100)の膜蒸留用膜カートリッジによって被処理水(A)から発生した蒸気は、蒸気取出口(31)を介して蒸気凝縮ユニット(200)の気相部に拡散して行く。そして、拡散していった蒸気が蒸気凝縮ユニット(200)の冷却体に触れると、凝縮されて凝縮水となり、凝集液タンクに貯留され、製品の蒸留水(S)として所定の用途に供される。
なお、図20中の符号「E」は減圧装置(230)からの排気を示す。
図21の膜蒸留装置(600)は、膜蒸留モジュール(110)を具備する。この膜蒸留モジュール(110)の膜蒸留用ハウジングは、図16に示した膜蒸留用ハウジングのように、冷却体(35)を有する。膜蒸留モジュール(110)は、膜蒸留用膜カートリッジの気相部が蒸気通過部(38)を介して冷却体(35)の気相部と連通するように構成されている。膜蒸留装置(600)は、冷却体(35)側の下方に蒸留水取出口(36)を有し、冷却体(35)側の上方に排気口(37)が設置されている。蒸留水取出口(36)及び排気口(37)は、それぞれ、配管によって凝縮液タンク(210)、圧力調整器(220)、及び減圧装置(230)と連結されている。
膜蒸留装置(600)の冷却体(35)の気相部は、凝縮液タンク(210)を介して圧力調整器(220)及び減圧装置(230)により、適当な減圧に調整されている。冷却体(35)は、冷却水(CW)によって冷却されている。図21の膜蒸留装置(600)では、冷却水(CW)は、冷却体(35)の上部から導入されて、冷却体(35)の内部を下向きに流通し、下部から排出されているが、この方向は逆でもよい。
膜蒸留モジュール(110)の膜蒸留用膜カートリッジによって被処理水(A)から発生した蒸気は、蒸気通過部(38)を介して冷却体(35)の気相部に拡散して行く。そして、拡散していった蒸気が冷却体(35)に触れると、凝縮されて凝縮水となり、凝集液タンクに貯留され、製品の蒸留水(S)として所定の用途に供される。
図21中の符号「E」は減圧装置(230)からの排気を示す。
膜蒸留装置の気相部圧力は、減圧装置の減圧に要する消費エネルギーを抑える観点から、好ましくは1kPa以上、より好ましくは5kPa以上であり、効率的な造水量を得る観点から、被処理水導入地点の被処理水温度における水の飽和蒸気圧以下であることが好ましい。
本実施形態の膜蒸留モジュールを用いて膜蒸留の運転を長時間続けると、被処理水に含まれる無機塩、有機物、微粒子、油分、金属等が、疎水性多孔質膜の液相部側(被処理水側)の上に析出、付着して、多孔質膜の貫通孔が閉塞(目詰まり)し、蒸留水の生産効率が低下することがある。その場合、運転を一旦中断して、疎水性多孔質膜を洗浄して生産効率を回復することができる。
疎水性多孔質膜の洗浄は、目詰まりの原因となった析出物を溶解し得る洗浄液を、多孔質膜と接触させることによって行うことができる。具体的には例えば、洗浄液を疎水性多孔質膜の表面、膜内部に高流速で流す等の方法により、洗浄してよい。
本実施形態に係る膜蒸留モジュール、及びこれを含む膜蒸留装置は、被処理水に含まれるイオン、有機物、無機物等を高度に除去して精製する用途、又は被処理水から水を除去して濃縮する用途に好適に用いることができる。これらの用途の具体例として、例えば、海水淡水化、船舶用水製造、超純水製造(半導体工場等)、ボイラー水製造(火力発電所等)、燃料電池システム内水処理、産業廃水処理(食品工場、化学工場、電子産業工場、製薬工場、清掃工場等)、透析用水製造、注射用水製造、随伴水処理(例えば、重質油、シェールオイル、シェールガス、コールシームガス、その他の天然ガス等の採掘時の随伴水)、海水からの有価物回収等が挙げられる。
本実施形態に係る膜蒸留モジュール、及びこれを含む膜蒸留装置は、他の水処理技術と組み合わせた複合システムとして使用してもよい。例えば、RO(Reverse Osmosis、逆浸透)法で処理した際に生成する濃縮水を、本実施形態に係る膜蒸留装置を用いて更に精製することにより、水の回収率をより高めることができる。また、FO(Forward Osmosis、正浸透)法で使用するDS(Draw Solution、誘導溶液)の回収手段として本実施形態に係る膜蒸留モジュール、及びこれを含む膜蒸留装置を使用することができる。
[外径、内径、及び膜厚]
多孔質中空糸膜の外径及び内径は、中空糸膜を、その長手方向に垂直な方向にカミソリで薄く切り、顕微鏡を用いて断面の外径及び内径をそれぞれ測定した。膜厚は下記数式(1)により算出した。
多孔質中空糸膜の平均孔径は、ASTM:F316−86に記載されている平均孔径の測定方法(別称:ハーフドライ法)により測定した。
測定は、約10cm長の多孔質中空糸膜に対し、液体としてエタノールを用いて、25℃、昇圧速度0.01atm/秒の標準測定条件において行った。
平均孔径は、下記数式(2)により求めた。
平均孔径[μm]=2,860×(使用液体の表面張力[dyne/cm])/(ハーフドライ空気圧力[Pa]) (2)
ここで、エタノールの25℃における表面張力としては、21.97dyne/cmの値を用いた。
多孔質中空糸膜の最大孔径は、バブルポイント法を用いて測定した。長さ8cmの多孔質中空糸膜の一方の末端を閉塞し、他方の末端に圧力計を介して窒素ガス供給ラインを接続した。この状態で窒素ガスを供給してライン内部を窒素に置換した後、多孔質中空糸膜をエタノールに浸漬した。このとき、エタノールがライン内に逆流しないように、ラインに極僅かに窒素で圧力をかけた状態として、多孔質中空糸膜をエタノール中に浸漬した。多孔質中空糸膜を浸漬した状態で、窒素ガスの圧力をゆっくりと増加させ、多孔質中空糸膜の外壁から窒素ガスの泡が安定して出始めた圧力Pを記録した。この値から、多孔質中空糸膜の最大孔径d[μm]を、下記数式(3):
d=C1γ/P (3)
{式中、C1は定数、γは表面張力[dyne/cm]、Pは圧力[Pa]である。}により算出した。エタノールを浸漬液としたときの定数C1と表面張力γとの積の値は、C1γ=0.0879[N/m]とした。
実施例1〜11及び比較例1における膜蒸留は、図20に示した構成の膜蒸留装置によって行った。
膜蒸留モジュール(100)中の膜蒸留用膜カートリッジとしては、各実施例及び比較例に記載のとおりの構成とし、蒸気凝縮ユニット(200)の出口は、配管によって凝縮液タンク(210)に連結されている。そして、凝縮液タンク(210)の気相部を、圧力調整器(220)を介して減圧装置(230)と連結することにより、系内の圧力調整を行った。
膜蒸留モジュール(100)内の疎水性多孔質中空糸膜の中空内腔に、被処理水(A)として90℃に温度調整された模擬海水(3.5質量%塩化ナトリウム水溶液)を5L/minの流量で循環させた。蒸気凝縮ユニット(200)には30℃の冷却水(CW)を10L/minの流量で循環させた。そして、系内の圧力を−70kPaGに調整して、膜蒸留を行った。
膜蒸留による被処理水の体積減少分は、随時回収溶媒(S)(蒸留水)を添加することによって補填した。
膜蒸留用膜カートリッジとしては、各実施例及び比較例に記載のとおりの構成とし、それ以外の実施態様については、上記の実施例1等と同じにした。
膜蒸留を行い、積算流量計を用いて凝縮液タンク(210)に流入した蒸留水の重量を測定し、下記数式(5):
Flux=運転時間1時間の膜蒸留で得られた蒸留水の重さ÷膜面積÷運転時間(1時間) (5)
に従ってFluxを算出した。
[多孔質中空糸膜の疎水化]
内径0.7mm、外径1.3mm、ASTM−F316−86から求めた平均孔径0.21μm、最大孔径0.29μm、空隙率72%、画像解析により求めた表面開口率28%のPVDF(ポリフッ化ビニリデン)製の多孔質中空糸膜500本を長さ50cmに切出した。この多孔質中空糸膜を、フロロテクノロジー社製のフッ素樹脂系撥水剤FS−392B(0.5重量%)に一度完全に浸漬した後に、引き上げ、乾燥を行うことにより、多孔質中空糸膜の内側及び外側表面に疎水性ポリマーを塗布して、多孔質中空糸膜の疎水化を行い、中空糸状の疎水性多孔質膜(以下、単に「中空糸膜」という。)を得た。
図9に示した構成の膜蒸留用膜カートリッジを作製した。ここで、棒状体(17)としては、外径6mmΦ、内径5mmΦ、長さ340mmのステンレス製パイプ2本を使用し、側芯棒として機能させた。
上記の中空糸膜500本を束ね、その側面外周部を、繊維径100μm、縦350mm×横200mmのネットで覆い、その両端を側芯棒とともに、熱硬化性エポキシ樹脂から成る固定用樹脂を用いて遠心接着の手法により固定して、膜固定部を形成した。このとき、ネットの端部は片端当たり25mmずつ、ステンレス製パイプの端部は片端当たり20mmずつ、それぞれ膜固定部内に埋没させた。その後、中空糸膜束両端のはみ出し分とともに、膜固定部の両端を5mmずつ切断して、膜固定部の縦方向の長さを片端当たり30mmに調整した。
ネットで被覆した後の中空糸の束の側面外周部を、不織布(通気度5.0mL/cm2・sec、縦290mm×横100mmのポリプロピレン製不織布)で覆った後、タコ糸で縛って固定することにより、膜蒸留用膜カートリッジ(10)を作製した。
得られたカートリッジの全長は360mm、カートリッジ両端の膜固定部の外径は60mmΦ、膜固定部の厚みは30mm、両端の膜固定部間の距離(中空糸膜の有効長)は300mm、中空糸膜束の充填率は24%、中空糸膜の有効膜面積は0.33m2であった。また、このカートリッジの膜固定部における固定用樹脂の線膨張係数は、80×10−6[1/℃]であった。
ハウジングとしては、太さの異なる2種のポリカーボネート(ポリカ)管を用い、空気の層を保温層として含む、ポリカーボネート/空気/ポリカーボネートから成る3層構造のハウジング本体、及び上下2つのハウジング蓋部から成るハウジングを用いた。このハウジングの、カートリッジ挿入部の内径は61mmΦであり、当該部分の線膨張係数は70×10−6[1/℃]であった。このハウジングは、外周側面に、面積0.0030m2(概ね5.5cm四方)の蒸気取出口が開口している。
上記[カートリッジの作製]で得られた膜蒸留用膜カートリッジ(10)を、その膜固定部に、シール用部材としてP−60規格、デュロメータ硬さA70のFKM(フッ化ビニリデン系ゴム)製Oリングを装着した状態で、ハウジングに挿入し、ハウジング蓋部を装着して固定することにより、膜蒸留モジュールを作製した。
上記[モジュールの作製]で得られた膜蒸留モジュールを使用して、図20に示した構成の膜蒸留装置を組み立て、上記の方法に従って膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは33kg/m2/hであり、得られた回収溶媒(蒸留水)の導電率は、25℃において3.0μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは28kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において8.0μS/cmであった。
以上の結果から、実施例1の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
[カートリッジの作製]において、カートリッジケースとして、外径60mmΦ、内径55mmΦ、長さ70mmのポリスルホン製のパイプ2本を使用した以外は、実施例1と同様の方法で膜蒸留用膜カートリッジを作製した。
カートリッジケースは、2本のパイプが中空糸束の軸方向両端部をそれぞれ覆い、中空糸束の中央部が長さ230mmにわたって覆われないように配置し、軸方向両端側の各パイプ端部が膜固定部によりそれぞれ固定されるように配置した(カートリッジケースの端部30mmは、膜固定部中に埋没している)。
得られたカートリッジのサイズは、実施例1と同じであり、ただし、カートリッジケースのカートリッジケース開口部の面積は0.043m2であった。また、このカートリッジの膜固定部の線膨張係数は、80×10−6[1/℃]であった。
得られた膜蒸留用膜カートリッジを用いた以外は、実施例1と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立て、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは31kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において2.5μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは27kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において6.0μS/cmであった。
以上の結果から、実施例2の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
ハウジングとして、ハウジング本体におけるカートリッジ挿入部の内径が61mmΦのチタン製ハウジングを用いた以外は実施例2と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製した。ここで使用したハウジングのカートリッジ挿入部の線膨張係数は8.5×10−6[1/℃]であった。
得られた膜蒸留モジュールを用いて膜蒸留装置を組み立て、膜蒸留を行った。
蒸留開始から1時間のFluxは30kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において2.0μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは25kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において5.0μS/cmであった。
以上の結果から、実施例3の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
[モジュールの作製]において、図17に示したハウジング蓋部顎部を有するハウジング蓋部を2つ有する膜蒸留用ハウジングを用い、シール用部材としてP−50A規格、デュロメータ硬さA70のFKM製Oリングを用いた以外は実施例2と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて膜蒸留を行った。
蒸留開始から1時間のFluxは33kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において5.0μS/cmであった。また、蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは26kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において6.4μS/cmであった。
以上の結果から、実施例4の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
[カートリッジの作製]において、棒状体として、側芯棒として機能するステンレス製パイプ2本の代わりに、側面に直径5mmΦの孔が20mm間隔で計30個設置された、外径20mm、厚さ3mm、長さ340mm、中空有孔のステンレス製パイプ1本を使用し、中空糸膜束の中央に設置した以外は実施例2と同様の方法で膜蒸留用膜カートリッジを作製した。得られたカートリッジにおいて、ステンレス製パイプの端部は片端当たり20mmずつ、膜固定部内に埋没している。
得られた膜蒸留用膜カートリッジを用いた以外は、実施例1と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立て、膜蒸留を行った。
蒸留開始から1時間のFluxは34kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において4.3μS/cmであった。また、蒸留開始後1,000時間経過から1時間Fluxは29kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において6.2μS/cmであった。
以上の結果から、実施例5の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
[カートリッジの作製]において、棒状体として、側芯棒として機能するステンレス製パイプ2本の代わりに、厚さ(横幅)5mm、縦幅40mm、長さ360mm、空隙率90体積%のポリプロピレン製スポンジを使用し、中空糸膜束の中央に設置した以外は実施例2と同様の方法で膜蒸留用膜カートリッジを作製した。得られたカートリッジにおいて、ポリプロピレン製スポンジの端部は片端当たり30mmずつ、膜固定部内に埋没している。
得られた膜蒸留用膜カートリッジを用いた以外は、実施例1と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立て、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは35kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において5.0μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは28kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において5.5μS/cmであった。
以上の結果から、実施例6の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
実施例1と同様の方法で中空糸状の疎水性多孔質膜(以下、「中空糸膜」)を得た。該中空糸膜を100本の束にまとめ、ネットで束ねた小束を5束用意した。これら5束の小束を、小束内の中空糸膜間の距離0.2mm、小束の短径10mm、各小束間の距離5mmとなるように、側芯棒及びカートリッジケースとともに膜固定部に固定すること以外は、実施例2と同様の方法で膜蒸留用膜カートリッジを作製した。
得られた膜蒸留用膜カートリッジを用いた以外は、実施例1と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは34kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において3.8μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは27kg/m2/hであり、得られた膜蒸留水の導電率は25℃において7.0μS/cmであった。
以上の結果から、実施例7の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
ハウジングの蒸気取出口に、デミスターとして空隙率90体積%のステンレスウールを設置した以外は実施例2と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは30kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において2.2μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは22kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において4.3μS/cmであった。
以上の結果から、実施例8の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を良好に維持できることが検証された。
ハウジングの蒸気取出口の面積を0.0020mm2としたこと以外は実施例1と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは18kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において7.0μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは15kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において9.2μS/cmであった。
以上の結果から、実施例9の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を維持できることが検証された。
[カートリッジの作製]において、膜固定用樹脂として、熱硬化性ウレタン樹脂から成る固定用樹脂を用いた以外は、実施例1と同様の方法で膜蒸留カートリッジを作製した。
得られた膜蒸留用膜カートリッジを用いて、P−60規格、デュロメータ硬さA40のシリコーン製Oリングを用いた以外は、実施例3と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは31kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において2.8μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは28kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において6.5μS/cmであった。
以上の結果から、実施例10の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を維持できることが検証された。
比較例1では、接着樹脂によって中空糸膜束を膜蒸留用ハウジングの内側に直接固定する構造の膜蒸留モジュールを作製し、評価を行った。
膜蒸留用ハウジングとして、外径60mmΦ、内径54mmΦ、長さ360mm、蒸気取出口の面積0.0030mm2であるステンレス(SUS)製ハウジングを用い、接着樹脂として熱硬化性のエポキシ樹脂を使用し、中空糸膜束の両端を遠心接着によりハウジングに固定することにより、膜蒸留モジュールを作製した。この膜蒸留モジュールにおいて、接着剤の線膨張係数は80×10−6[1/℃]であり、ハウジングの線膨張係数は17×10−6[1/℃]であった。
この膜蒸留モジュールを用いて膜蒸留装置を組み立て、膜蒸留を実施した。
膜蒸留開始から1時間のFluxは30kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において7.0μS/cmであった。しかしながら膜蒸留開始から250時間経過したときに、ハウジングと接着層との界面で剥離が発生し被処理水が透過側に漏れ出たため、運転を終了した。
膜蒸留用膜カートリッジとしては、実施例1の膜蒸留用膜カートリッジと同じタイプのものを使用した。
G−60規格、デュロメータ硬さA70のFKM製Oリングを用いて、この膜蒸留用膜カートリッジを膜蒸留用ハウジングに収納して、膜蒸留モジュールを作製した。
本実施例で用いた膜蒸留ハウジングは、ハウジング本体、及び上下2つのハウジング蓋部から成る。ハウジング本体は、膜蒸留用膜カートリッジ収納部の他に、冷却体を有しており、膜蒸留用膜カートリッジの気相部と、冷却体の気相部とが、蒸気通過部を介して連結された構造を有するものを用いた。
膜蒸留ハウジングの膜蒸留用膜カートリッジ収納部は、内径140mmΦ、厚さ5mmΦ、長さ310mmのポリカーボネート(ポリカ)管から構成されるものとした。冷却体は、外径1.2mmΦ、厚さ0.2mm、有効長300mmのSUS304製パイプ360本から構成されており、その総伝熱面積は、0.41m2であった。また、蒸気通過部の面積は、0.04340m2(概ね14cm×31cm)であった。
このハウジングの、膜蒸留用膜カートリッジ挿入部の内径は61mmΦであり、当該部分の線膨張係数は70×10−6[1/℃]であった。
膜蒸留開始から1時間のFluxは37kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において5.4μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは30kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において7.6μS/cmであった。
以上の結果から、実施例11の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を維持できることが検証された。
シール用部材として、G−60規格、デュロメータ硬さA90のNBR製Oリングを用いること以外は実施例11と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは35kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において4.8μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは29kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において7.3μS/cmであった。
以上の結果から、実施例12の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を維持できることが検証された。
シール用部材として、G−60規格、デュロメータ硬さA70のEPDM製Oリングを用い、ハウジング本体の膜蒸留用膜カートリッジ収納部に内径140mmΦ、厚さ3mmΦ、長さ310mmのSUS304製パイプを用いたこと以外は実施例11と同様の方法で膜蒸留モジュールを作製し、膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を行った。
膜蒸留開始から1時間のFluxは33kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において3.2μS/cmであった。また、膜蒸留開始後1,000時間経過から1時間のFluxは26kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において5.5μS/cmであった。
以上の結果から、実施例13の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を維持できることが検証された。
実施例1と同様の多孔質中空糸膜5,000本を長さ80cmに切り出し、実施例1と同様の方法で疎水化を行い、中空糸状の疎水性多孔質膜(中空糸膜)を得た。
図9に示した構成の膜蒸留用膜カートリッジを作製した。ここで、棒状体(17)としては、外径8mmΦ、内径6mmΦ、長さ600mmのステンレス製パイプ6本を使用し、側芯棒として機能させた。
上記の中空糸膜5,000本を束ね、その側面外周部を、繊維径100μm、縦600mm×横600mmのネットで覆い、その両端を側芯棒とともに、熱硬化性エポキシ樹脂から成る固定用樹脂を用いて遠心接着の手法により固定して、膜固定部を形成した。このとき、ネットの端部とステンレス製パイプの端部は片端当たり50mmずつ、それぞれ膜固定部内に埋没させた。その後、中空糸膜束両端のはみ出し分とともに、膜固定部の両端を5mmずつ切断して、膜固定部の縦方向の長さを片端当たり100mmに調整した。
ネットで被覆した後の中空糸の束の側面外周部を、不織布(通気度5.0mL/cm2・sec、縦490mm×横600mmのポリプロピレン製不織布)で覆った後、タコ糸で縛って固定することにより、膜蒸留用膜カートリッジ(10)を作製した。
得られたカートリッジの全長は700mm、カートリッジ両端の膜固定部の外径は130mmΦ、膜固定部の厚みは100mm、両端の膜固定部間の距離(中空糸膜の有効長)は500mm、中空糸膜束の充填率は50%、中空糸膜の有効膜面積は5.50m2であった。また、このカートリッジの膜固定部における固定用樹脂の線膨張係数は、80×10−6[1/℃]であった。
本実施例で用いた膜蒸留ハウジングは、ハウジング本体、及び上下2つのハウジング蓋部から成る。ハウジング本体は、膜蒸留用膜カートリッジ収納部の他に、冷却体を有しており、膜蒸留用膜カートリッジの気相部と、冷却体の気相部とが、蒸気通過部を介して連結された構造を有するものを用いた。
膜蒸留ハウジングは、ハウジング本体、及び上下2つのハウジング蓋部から成る。ハウジング本体は、膜蒸留用膜カートリッジ収納部の他に、冷却体を有しており、膜蒸留用膜カートリッジの気相部と、冷却体の気相部とが、蒸気通過部を介して連結された構造を有するものを用いた。
膜蒸留ハウジングの膜蒸留用膜カートリッジ収納部は、SUS304管から構成されるものとした。冷却体は、外径17.3mmΦ、厚さ1.2mm、長さ500mmのSUS304製パイプ139本から構成されており、その総伝熱面積は3.84m2であった。また、蒸気通過部の面積は、0.100m2(概ね20cm×50cm)であった。
このハウジングの、膜蒸留用膜カートリッジ挿入部の内径は136mmΦであり、当該部分の線膨張係数は14×10−6[1/℃]であった。
以上の結果から、実施例14の膜蒸留モジュールは、1,000時間の運転後にも、その機能を維持できることが検証された。
[カートリッジの作製]において、膜固定用樹脂として、熱硬化性ウレタン樹脂から成る固定用樹脂を用い、膜固定部の外径を135.4mmΦ、中空糸膜束の充填率を46.1%としたこと以外は実施例14と同様の方法で膜蒸留カートリッジを作製し、これを用いて実施例14と同様の方法で膜蒸留装置を組み立てて、膜蒸留を実施した。
膜蒸留開始から1時間のFluxは29kg/m2/hであり、得られた蒸留水の導電率は25℃において4.4μS/cmであった。しかしながら膜蒸留開始から460時間経過したときに、接着層に亀裂が発生して被処理水が透過側に漏れ出たため、運転を終了した。
11 疎水性多孔質膜
11a 中空糸状疎水性多孔質膜の小束
12 膜固定部
13 カートリッジケース
14 カートリッジケース開口部
15 ネット
16 不織布
17 棒状体
18 液相部スペーサー
19 気相部スペーサー
20 膜蒸留用ハウジング
30 ハウジング本体
30a ハウジング本体フランジ
30b ハウジング本体顎部
31 蒸気取出口
32 デミスター
33 保温層
34 被処理水流通用ハウジング本体開口部
35 冷却体
35a 配管
35b 開口部
36 蒸留水取出口
37 排気口
38 蒸気通過部
40 ハウジング蓋部
40a ハウジング蓋部フランジ
40b ハウジング蓋部顎部
41 被処理水流通用蓋部開口部
50 シール用部材
60 支持部
70 液相部
80 気相部
100、110、120 膜蒸留モジュール
200 蒸気凝縮ユニット
210 凝縮液タンク
220 圧力調整器
230 減圧装置
500、600、700 膜蒸留装置
A 被処理水
A’ 蒸留後の被処理水
B 被処理水から分離された蒸気
B* 被処理水から分離され、疎水性多孔質膜を通過して気相部に拡散して行く蒸気
CW 冷却水
E 排気
LEFF 有効長
LALL 全長
L17 棒状体の長さ
S 回収溶媒
dE 膜蒸留用ハウジングの内周の円換算径
dF 膜固定部の外周の円換算径
d11a 中空糸状疎水性多孔質膜の小束直径
h50 シール用部材50の縦方向の高さ
w50 シール用部材50の横方向の幅
Claims (21)
- シート状又は中空糸状の疎水性多孔質膜を含む膜蒸留用膜カートリッジ。
- 請求項1に記載の膜蒸留用膜カートリッジと、
前記膜蒸留用膜カートリッジを収納する膜蒸留用ハウジングと
を有する膜蒸留モジュール。 - シート状又は中空糸状の疎水性多孔質膜を含む膜蒸留用膜カートリッジと、
前記膜蒸留用膜カートリッジを収納する膜蒸留用ハウジングと
を有する膜蒸留モジュールであって、
前記膜蒸留用膜カートリッジは、
略柱状又は略多角柱状の形状を有し、
前記略柱状又は略多角柱状の軸方向の両端部に、固定用樹脂によって疎水性多孔質膜が固定されている膜固定部を有し、
前記膜蒸留用ハウジングは、前記膜蒸留用膜カートリッジを収納するためのハウジング本体と、前記ハウジング本体に装着される1個又は2個のハウジング蓋部とを有し、
前記膜蒸留モジュールは、前記膜蒸留用ハウジング内に前記膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、
前記膜固定部の外側面がシール用部材を介して前記膜蒸留用ハウジングの内側面に支持されることによって、前記膜蒸留用膜カートリッジが前記膜蒸留用ハウジング内に固定されている支持部を有し、
前記疎水性多孔質膜、前記膜固定部、及び前記シール用部材によって、被処理液が流通する液相部と、前記被処理液から発生した蒸気が前記疎水性多孔質膜を通過して拡散して行く気相部と、に分割されており、そして、
前記支持部の、前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向に垂直な断面において、
前記膜固定部の外周の円換算径をdF(mm)、前記固定用樹脂の線膨張係数をkF(1/℃)、前記膜蒸留用ハウジングの内周の円換算径をdE(mm)、前記膜蒸留用ハウジングが前記シール用部材と接する部分における前記ハウジング本体を構成する材料の線膨張係数をkE(1/℃)としたとき、下記数式:
- 前記シール用部材が、前記膜蒸留用膜カートリッジの前記膜固定部の外周面と接触しており、
前記シール用部材の前記膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に垂直な方向の長さが1mm以上である、請求項4に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向両端部以外の部分のうちの少なくとも一部がネット及び不織布のうちの少なくとも一方に覆われている、請求項4又は5に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記膜蒸留用膜カートリッジの前記軸方向両端部の固定用樹脂によって固定された少なくとも1本の棒状体を更に有する、請求項4〜6のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記棒状体が中空であり、かつ、側面に孔を有し、
前記棒状体の中空の内部が前記膜蒸留モジュールの気相部と連通している、請求項7に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記棒状体が多孔質体であり、
前記棒状体の細孔が前記膜蒸留用膜カートリッジの気相部と連通している、請求項8に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記シート状の疎水性多孔質膜が、プリーツ状疎水性多孔質膜である、請求項4〜9のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記疎水性多孔質膜が、スパイラル状疎水性多孔質膜である、請求項4〜9のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記膜蒸留用膜カートリッジは、軸方向の両端部以外の部分がカートリッジケースで覆われており、
前記カートリッジケースは、カートリッジケース開口部を有し、
前記カートリッジケース開口部の面積は、前記疎水性多孔質膜の膜面積の250分の1以上であり、かつ、
前記カートリッジケースを構成する材料の線膨張係数kCと、前記固定用樹脂の線膨張係数をkFとの比(kC/kF)が0.3以上4.0未満である、請求項10に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記ハウジング本体が、その側面部に、前記膜蒸留モジュールの気相部に連通して、気相部内の蒸気を前記膜蒸留モジュールの外部に取り出すための蒸気取出口を有し、
前記蒸気取出口の面積は、前記疎水性多孔質膜の膜面積の250分の1以上である、
請求項4〜10又は12に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記ハウジング本体が、
前記膜蒸留モジュールの気相部と接触して、前記気相部内の前記蒸気を凝縮させるための冷却体、及び
前記冷却体によって前記蒸気が凝縮した蒸留水を取り出すための蒸留水取出部
を有する、
請求項4〜12のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記ハウジング本体が、前記気相部を減圧にするための排気口を有する、請求項14に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記ハウジング本体が、デミスターを有する、請求項13〜15のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記疎水性多孔質膜が、複数の中空糸状疎水性多孔質膜から成り、
前記複数の中空糸状疎水性多孔質膜が、複数の小束に分割され、前記複数の小束が、前記膜固定部を前記膜蒸留用膜カートリッジの軸方向に垂直な方向の断面に分散して配置されている、
請求項4〜9及び12〜16のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。 - 前記膜蒸留用ハウジング内に前記膜蒸留用膜カートリッジを収納したときに、前記膜蒸留モジュールの気相部に連通して、気相部内の蒸気を前記膜蒸留モジュール外部に取り出すための蒸気取出管が、前記膜蒸留用ハウジングから外部に突出している、請求項11に記載の膜蒸留モジュール。
- 前記膜蒸留用ハウジングの外側の少なくとも一部に、保温層を有する、請求項4〜18のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール。
- 少なくとも、請求項4〜13及び16〜19のいずれか一項に記載の膜蒸留モジュール、及び
前記膜蒸留モジュールから発生した蒸気を凝縮するための蒸気凝縮ユニットを具備する、膜蒸留装置。 - 少なくとも、請求項14又は15に記載の膜蒸留モジュールを具備する、膜蒸留装置。
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