KR20130118931A

KR20130118931A - 스파이럴형 분리막 엘리먼트

Info

Publication number: KR20130118931A
Application number: KR1020137019838A
Authority: KR
Inventors: 신이치 지쿠라; 도시미츠 하마다; 야스히로 우다; 가즈히토 요시다
Original assignee: 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-10-30
Also published as: KR101532155B1; US20130299416A1; JP5465654B2; WO2012090457A1; CN103298545B; JP2012135720A; CN103298545A; US9504963B2

Abstract

본 발명의 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1A)는 분리막을 포함하는 권회체(3)와, 권회체(3)의 중심축을 따라 권회체(3)를 관통하는 중심관(2)과, 권회체(3)를 적어도 한쪽 단부면(3a)에서 중심관(2)과 접합하는 접합부(4)를 구비하고 있다. 접합부(4)는 권회체(3)의 단부면(3a)보다 내측에 위치하는 보유 지지부(41), 및 보유 지지부(41)와 일체적으로 형성된 연장부(42)를 갖고 있다. 또한, 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1A)는 중심관(2)에 대하여 연장부(42)를 구속하는 구속 부재(5A)를 구비하고 있다.

Description

스파이럴형 분리막 엘리먼트 {SPIRAL SEPARATION MEMBRANE ELEMENT}

본 발명은 분리막을 사용한 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 관한 것이다.

종래부터, 액체나 기체 등의 원 유체를 농축하거나 원 유체로부터 특정 성분을 분리하거나 하기 위해서, 관상형, 중공사형, 스파이럴형, 플리츠형 등의 다양한 분리막 엘리먼트가 사용되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 분리막, 공급측 유로재 및 투과측 유로재를 중심관의 주위에 감은 권회체를 갖는 스파이럴형 분리막 엘리먼트가 기재되어 있다.

스파이럴형 분리막 엘리먼트에서는, 일반적으로, 권회체가 축방향의 양단에서 중심관에 접합된다. 예를 들어, 특허문헌 2에는, 투과측 유로재를 사이에 끼우는 2매의 직사각형의 분리막끼리를 접착제에 의해 3변에서 접착하여 중심관에 권회되는 엔벨로프를 형성함과 함께, 그 중 대향하는 2변의 접착제를 사용하여 분리막을 권회체의 단부면에서 중심관에 접착하는 것이 기재되어 있다.

스파이럴형 분리막 엘리먼트를 사용할 때에는, 통 형상의 압력 용기 내에 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 장전하고, 압력 용기 내에 원 유체를 유입시키면서 분리막을 사이에 둔 공급측과 투과측에 압력차를 부여한다. 이에 의해, 분리막에 의한 농축 또는 분리가 행해진다.

그런데, 용도에 따라서는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트가 고온 환경 하에 노출되는 경우가 있다. 예를 들어, 식품, 의약 및 파인케미컬에 있어서의 프로세스 처리나 이들 프로세스 후의 액체 배출 처리에 사용되는 스파이럴형 분리막 엘리먼트에서는, 고온 또는 증기가 된 처리액이 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 공급된다. 또한, 퍼베이퍼레이션(PV)법이나 베이퍼 퍼미에이션(VP)법을 이용한 알코올 등의 추출에 사용되는 스파이럴형 분리막 엘리먼트(예를 들어, 특허문헌 3 참조)에서는, 고온의 수용액으로부터 발생한 고온의 증기가 분리막을 투과한다.

일본 특허 공개 제2000-354742호 공보 일본 특허 공표 제2009-518181호 공보 일본 특허 공개 평4-187220호 공보

상기와 같이 고온 환경 하에서 스파이럴형 분리막 엘리먼트가 사용되면, 분리막과 중심관의 재질의 차이에 따라 그것들을 접합하는 접합부에 열응력이 걸린다. 즉, 운전의 개시 및 정지에 의한 온도 변화에 수반하여 분리막이 팽창 및 수축을 반복하고, 이에 의해 접합부에 응력이 가해진다. 그 결과, 권회체를 단부면에서 중심관에 접합한 것 만으로는, 접합부가 중심관으로부터 박리하는 경우가 있다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여, 중심관으로부터의 접합부의 박리를 방지할 수 있는 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 분리막을 포함하는 권회체와, 상기 권회체의 중심축을 따라 상기 권회체를 관통하는 중심관과, 상기 권회체를 적어도 한쪽 단부면에서 상기 중심관과 접합하는 접합부이며, 상기 권회체의 단부면보다 내측에 위치하는 보유 지지부, 및 상기 보유 지지부와 일체적으로 형성된, 상기 중심관의 외주면을 따라 상기 보유 지지부로부터 상기 권회체의 단부면이 면하는 방향으로 연장되는 연장부를 포함하는 접합부와, 상기 중심관에 대하여 상기 연장부를 구속하는 구속 부재를 구비하는 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 제공한다.

상기의 구성에 의하면, 구속 부재에 의해 접합부의 직경 방향 외측으로의 확대가 구속된다. 따라서, 중심관으로부터의 접합부의 박리를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 단면도.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 구속 부재가 접합부의 연장부를 구속한 상태를 도시하는 측면 단면도.
도 3은 권회체의 구성도.
도 4는 분리막의 구성도.
도 5는 도 5a는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 스파이럴형 분리막 엘리먼트의 단면도, 도 5b는 제2 실시 형태에 있어서의 구속 부재가 접합부의 연장부를 구속한 상태를 도시하는 측면 단면도.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명은 본 발명의 일례에 관한 것이고, 본 발명은 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

(제1 실시 형태)

도 1에, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1A)(이하, 간단히 「분리막 엘리먼트(1A)」라고 함)를 도시한다. 이 분리막 엘리먼트(1A)는, 분리막(31)(도 3 참조)을 포함하는 권회체(3)와, 권회체(3)의 중심축을 따라 권회체(3)를 관통하는 중심관(2)과, 권회체(3)를 양 단부면(3a)에서 중심관(2)과 접합하는 한 쌍의 접합부(4)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 권회체(3)를 보호하기 위해서, 권회체(3)를 둘러싸는 외장재(6)가 사용되고 있다. 또한, 권회체(3)의 축방향의 양측에는, 권회체(3)의 단부면을 보호하기 위하여 및 권회체(3)가 텔레스코픽 형상으로 신장하는 것을 방지하기 위해서, 단부재가 배치되어 있는 것이 바람직하다.

분리막 엘리먼트(1A)에는, 권회체(3)의 한쪽 단부면(3a)으로부터 내부에 원 유체가 공급되고, 이 원 유체가 분리막(31)에 의해 투과 유체와 농축 유체로 분리된다. 투과 유체는, 중심관(2)을 통하여 외부에 유도되고, 농축 유체는, 권회체(3)의 다른 쪽의 단부면(3a)으로부터 배출된다. 예를 들어, 분리막 엘리먼트(1A)가 해수 담수화에 사용되는 경우에는, 원 유체, 투과 유체 및 농축 유체는 모두 액체이다. 또한, 분리막 엘리먼트(1A)가 PV법이나 VP법을 이용한 예를 들어 알코올 용액의 농축 또는 알코올 용액으로부터의 알코올의 분리에 사용되는 경우에는, 적어도 투과 유체는 증기이며, 원 유체 및 농축 유체는 전체의 시스템 구성에 따라서 액체 또는 증기가 된다.

중심관(2)은 투과 유체를 모으는 집유체관으로서 기능하는 것이다. 중심관(2)에는, 내부에 투과 유체를 유입시키는 복수의 도입 구멍(21)이 형성되어 있다.

중심관(2)의 구성 재료에는, 공지의 집유체관의 구성 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 아크릴로니트릴·부타디엔·스티렌 공중합 수지(ABS 수지), 폴리페닐렌에테르 수지(PPE 수지), 폴리술폰 수지(PSF 수지) 등의 수지재, 또는 스테인리스강, 티타늄 등의 금속재를 사용할 수 있다. 특히, 고온에서 운전하는 경우에는, 금속재로 구성된 중심관(2)이 바람직하게 사용된다.

중심관(2)의 내경은, 사용되는 권회체(3)의 크기에 따라서 상이한데, 예를 들어 20 내지 100 mm 정도이다. 중심관(2)의 두께는, 용도에 따라서 상이한데, 예를 들어 1 내지 7 mm 정도이다.

권회체(3)는 도 3에 도시한 바와 같이, 투과측 유로재(32)의 양면에 분리막(31)이 중첩된 주머니 형상의 막 리프가, 공급측 유로재(33)와 함께 중심관(2)의 주위에 감김으로써 형성되어 있다. 또한, 막 리프 및 공급측 유로재(33)의 매수는, 1장일 필요는 없고, 복수매여도 된다.

막 리프를 구성하는 한 쌍의 분리막(31) 및 투과측 유로재(32), 및 공급측 유로재(33)는 감기는 방향이 한쪽의 대변 방향이 되는 직사각 형상을 이루고 있다. 분리막(31)끼리는, 막 리프가 일 방향으로 개구하는 주머니 형상으로 되도록 3변에서 접착제에 의해 접착되어 있고, 그 개구가 중심관(2)의 도입 구멍(21)과 연통하고 있다. 투과측 유로재(32)는 서로 접착되는 분리막(31)끼리의 사이에 투과 유체를 흘리기 위한 유로를 형성한다. 공급측 유로재(33)는 권회되는 막 리프의 주회 부분끼리의 사이에 원 유체를 흘리기 위한 유로를 형성한다.

분리막(31)으로서는, 용도에 따라 다양한 구성의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, PV법이나 VP법에서는, 도 4에 도시한 바와 같은 구성의 분리막(31)을 사용할 수 있다. 이 분리막(31)은 공급측 유로재(33)와 대향하는 스킨층(31a)과, 스킨층(31a)을 지지하는 지지층(31b)과, 지지층(31b)에 접합된 부직포(31c)를 포함한다.

스킨층(31a)은 구멍이 없는 균질막이다. 스킨층(31a)으로서는, 예를 들어 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리디메틸실록산(PDMS)이나 셀룰로오스계 수지 등의 공지된 재료를 포함하여 이루어지는 평막 또는 이들의 복합막을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 고온 처리에 사용하는 경우의 내열성의 관점에서, 스킨층(31a)은 불소 함유 수지나 셀룰로오스계 수지로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

지지층(31b)을 구성하는 재료로서는, 예를 들어 PVDF를 들 수 있고, 부직포(31c)를 구성하는 재료로서는, 예를 들어 PPS를 들 수 있다.

투과측 유로재(32) 및 공급측 유로재(33)로서는, 예를 들어 PPS나 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE)를 포함하여 이루어지는 수지제 네트를 사용할 수 있다. 단, 공급측 유로재(33)의 그물눈은, 투과측 유로재(32)의 그물눈보다 큰 것이 바람직하다.

권회체(3)를 둘러싸는 외장재(6)는 예를 들어 유리 섬유 강화 플라스틱(FRP)이나 실리콘 수지를 권회체(3)의 외주면에 코팅함으로써 형성된다.

권회체(3)의 축방향의 양단부에 배치된 접합부(4)는 접착제로 구성되어 있다. 이 접합부(4)를 구성하는 접착제는, 분리막(31)끼리를 접착하는 접착제와 동일해도 되고 상이해도 된다. 접합부(4)를 구성하는 접착제로서는, 예를 들어 우레탄 수지계, 에폭시 수지계, 실리콘 수지계 등의 열경화성 수지 접착제 또는 핫 멜트 접착제 등의 종래부터 공지된 어느 하나의 접착제를 사용할 수 있다. 단, 작업성의 관점에서는, 가열에 의해 경화 가능한 열경화성 수지 접착제를 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 실리콘 수지계 접착제를 사용하는 것이, 내열성이 우수하고, 유연성이 많은 점에서 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 각각의 접합부(4)가 중심관(2)의 외주면을 따라 권회체(3)의 단부면(3a)으로부터 축방향의 양측으로 연장하는 환상의 형상으로 형성되어 있다. 구체적으로는, 각각의 접합부(4)가 권회체(3)의 단부면(3a)보다 내측에 위치하는 보유 지지부(41)와, 보유 지지부(41)와 일체적으로 형성된 연장부(42)를 갖고 있다. 연장부(42)는 보유 지지부(41)로부터 권회체(3)의 단부면(3a)이 면하는 방향으로 연장되어 있다. 그리고, 연장부(42)는 구속 부재에 의해 중심관(2)에 대하여 구속된다.

본 실시 형태에서는, 구속 부재로서, 중심관(2)을 연장부(42)의 위로부터 클램프 가능한 클램프 부재(5A)가 채용되어 있다. 클램프 부재(5A)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 반원의 양단으로부터 고정부가 돌출된 한 쌍의 클램프편(51, 52)을 갖고 있다. 그리고, 그들 클램프편(51, 52)의 고정부끼리를 볼트(53)로 체결함으로써, 연장부(42)가 주위로부터 클램프편(51, 52)에 가압되어서 중심관(2)에 대하여 구속된다. 단, 클램프 부재(5A)의 구성은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 클램프 부재(5A)는, 원의 일부를 외측 방향으로 개구시킨 대략 Ω 모양의 형상을 갖고 있으며, 그 개구 형성부가 볼트 및 너트에 의해 체결되는 구조를 가져도 된다.

클램프 부재(5A)는, 예를 들어 스테인리스강 등 선팽창 계수가 작은 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또는, 클램프 부재(5A)를 구성하는 재료로서는, 플라스틱재여도, 접합부(4)를 구성하는 접착제보다 선팽창 계수가 작은 것이면 채용 가능하다.

이어서, 상술한 분리막 엘리먼트(1A)의 제조 방법을 설명한다.

우선, 중심관(21)의 외주면에 있어서의 서로 이격하는 2군데의 소정 영역에 접합부(4)를 구성하는 접착제를 도포한다. 계속해서, 막 리프 및 공급측 유로재(33)를 도포된 접착제가 양측에 노출되도록 위치 정렬한 상태에서 중심관(2)의 주위에 감고, 그 상태에서 접착제를 경화시킨다. 이에 의해, 보유 지지부(41) 및 연장부(42)를 포함하여 이루어지는 접합부(4)가 형성된다. 그 후, 연장부(42)에 클램프 부재(5A)를 설치한다.

이상 설명한 분리막 엘리먼트(1A)에서는, 클램프 부재(5A)에 의해 접합부(4)의 직경 방향 외측으로의 확대가 구속된다. 따라서, 분리막 엘리먼트(1A)가 고온 환경 하에 노출되어서 분리막(31)이 팽창 및 수축을 반복했다고 해도, 중심관(2)으로부터의 접합부(4)의 박리를 방지할 수 있다.

(제2 실시 형태)

이어서, 도 5a 및 5b를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1B)(이하, 간단히 「분리막 엘리먼트(1B)」라고 함)를 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태에서 설명한 구성과 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 5a에서는 분리막 엘리먼트(1B)의 편측의 단부만을 도시하지만, 반대측의 단부도 마찬가지의 구성이다.

본 실시 형태에서는, 중심관(2)에 대하여 연장부(42)를 구속하는 구속 부재로서, 중심관(2)의 외경보다 내경의 큰 통 부재(5B)가 채용되어 있다. 통 부재(5B)는 권회체(3)의 단부면(3a)에 밀착하도록 중심관(2)에 삽입 관통되고, 통 부재(5B)와 중심관(2)의 간극이 연장부(42)로 채워져 있다. 그리고, 통 부재(5B)는, 연장부(42)에 의해 중심관(2)에 고착되어 있다.

통 부재(5B)는, 제1 실시 형태의 클램프 부재(5A)와 마찬가지로, 선팽창 계수가 작은 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이어서, 상술한 분리막 엘리먼트(1B)의 제조 방법을 설명한다.

우선, 막 리프 및 공급측 유로재(33)를 중심관(2)의 주위에 감아 권회체(3)를 형성한 후에, 그 양측으로부터 통 부재(5B)를 중심관(2)에 찔러넣어서 권회체(3)의 양 단부면(3a)에 밀착시킨다. 계속해서, 통 부재(5B)와 중심관(21)의 간극에 접합부(5)를 구성하는 접착제를 유입하고, 그 접착제를 통 부재(5B)와 중심관(2)의 간극에 충전한다. 그 후, 접착제를 경화시킨다. 이에 의해, 보유 지지부(41) 및 연장부(42)를 포함하여 이루어지는 접합부(4)가 형성되고, 연장부(42)에 의해 통 부재(5B)가 중심관(2)에 고착된다.

이상 설명한 분리막 엘리먼트(1B)에서는, 통 부재(5B)에 의해 접합부(4)의 직경 방향 외측으로의 확대가 구속된다. 따라서, 분리막 엘리먼트(1B)가 고온 환경 하에 노출되어서 분리막(31)이 팽창 및 수축을 반복했다고 해도, 중심관(2)으로부터의 접합부(4)의 박리를 방지할 수 있다.

(기타 실시 형태)

상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 한 쌍의 접합부(4)의 양쪽이 연장부(42)를 갖고 있었지만, 어느 한쪽의 접합부(4)는 연장부(42)를 갖고 있지 않아도 된다. 이 경우, 연장부(42)를 갖는 쪽의 접합부(4)만이 본 발명의 접합부에 상당한다. 즉, 본 발명의 접합부는 권회체(3)를 적어도 한쪽 단부면(3a)에서 중심관(2)과 접합하는 것이면 된다.

또한, 구속 부재로서 클램프 부재(5A)를 채용하는 경우에는, 연장부(42)는 반드시 환상일 필요는 없다. 예를 들어, 연장부(42)는 등각도 간격으로 배치된, 보유 지지부(41)로부터 중심관(2)의 축방향으로 연장되는 복수의 직사각편으로 구성되어 있어도 된다.

1A, 1B: 스파이럴형 분리막 엘리먼트
2: 중심관
3: 권회체
3a: 단부면
31: 분리막
31a: 스킨층
31b: 지지층
31c: 부직포
32: 투과측 유로재
33: 공급측 유로재
4: 접합부
41 보유 지지부
42: 연장부
5A: 클램프 부재(구속 부재)
5B: 통 부재(구속 부재)

Claims

분리막을 포함하는 권회체와,
상기 권회체의 중심축을 따라 상기 권회체를 관통하는 중심관과,
상기 권회체를 적어도 한쪽 단부면에서 상기 중심관과 접합하는 접합부이며, 상기 권회체의 단부면보다 내측에 위치하는 보유 지지부, 및 상기 보유 지지부와 일체적으로 형성된, 상기 중심관의 외주면을 따라 상기 보유 지지부로부터 상기 권회체의 단부면이 면하는 방향으로 연장되는 연장부를 포함하는 접합부와,
상기 중심관에 대하여 상기 연장부를 구속하는 구속 부재
를 구비하는 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서, 상기 구속 부재는 상기 중심관을 상기 연장부의 위로부터 클램프 가능한 클램프 부재인 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
제1항에 있어서, 상기 구속 부재는 상기 권회체의 단부면에 밀착하도록 상기 중심관에 삽입 관통되고, 상기 중심관과의 간극이 상기 연장부로 채워진 통 부재인 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심관은 금속제인 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접합부는 열경화성 수지 접착제로 구성되어 있는 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 권회체는, 투과측 유로재의 양면에 상기 분리막이 중첩된 주머니 형상의 막 리프가 공급측 유로재와 함께 상기 중심관의 주위에 감김으로써 형성되어 있는 스파이럴형 분리막 엘리먼트.
제6항에 있어서, 상기 분리막은, 상기 공급측 유로재와 대향하는 스킨층과, 상기 스킨층을 지지하는 지지층과, 상기 지지층에 적층된 부직포를 포함하고,
상기 스킨층은 불소 함유 수지 또는 셀룰로오스계 수지로 구성된, 구멍이 없는 균질막인 스파이럴형 분리막 엘리먼트.