KR20220052935A - 분리막 엘리먼트 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 분리막 엘리먼트는, 집수관과, 분리막과, 공급측 유로재와, 투과측 유로재를 구비하고, 공급측 유로재는, 섬유상물 A로 구성되는 복수의 섬유상열 X, 및 섬유상물 B로 구성되는 복수의 섬유상열 Y가 서로 입체 교차하여 교점을 형성한 네트 형상이며, 섬유상물 A 및 섬유상물 B 중 적어도 한쪽은, 길이 방향을 따라서 태경부와 세경부를 갖고, 섬유상물 A 및 섬유상물 B 중 적어도 한쪽은, 그 길이 방향에 따른 종단면에 있어서, 섬유상열 X 및 섬유상열 Y의 교점부간에 있어서의 중앙부가 태경부에 비해 세경의 실로 구성되어 있고, 공급측 유로 면적률이 45 내지 65％이며, 또한 공급측 유로재의 평면으로부터 두께 방향으로 관찰하였을 때, 임의의 교점과 인접하는 교점간의 섬유가 한쪽으로부터 다른 쪽을 향해 테이퍼상으로 확경되어 있는 테이퍼상 섬유이다.
Description
본 발명은, 불순물을 포함하는 각종 액체로부터 불순물을 분리하기 위해서, 특히 해수의 담수화, 함수(鹹水)의 탈염, 초순수의 제조 또는 배수 처리 등에 사용하기 위한 분리막 엘리먼트에 관한 것이다.
해수 및 함수 등에 포함되는 이온성 물질을 제거하기 위한 기술에 있어서는, 최근 에너지 절약 및 자원 절약을 위한 프로세스로서, 분리막 엘리먼트에 의한 분리법의 이용이 확대되고 있다. 분리막 엘리먼트에 의한 분리법에 사용되는 분리막은, 그 구멍 직경이나 분리 기능의 점에서, 정밀 여과막, 한외 여과막, 나노여과막, 역침투막 및 정침투막으로 분류된다. 이들 막은, 예를 들어 해수, 함수 및 유해물을 포함한 물 등으로부터의 음료수의 제조, 공업용 초순수의 제조, 그리고 배수 처리 및 유가물의 회수 등에 사용되고 있으며, 목적으로 하는 분리 성분 및 분리 성능에 의해 구분해서 사용되고 있다.
분리막 엘리먼트로서는 다양한 형태가 있지만, 분리막의 한쪽의 면에 원수를 공급하고, 다른 쪽의 면으로부터 투과 유체를 얻는 점에서는 공통되어 있다. 분리막 엘리먼트는, 묶인 다수의 분리막을 구비함으로써, 1개의 분리막 엘리먼트당 막 면적이 커지도록, 즉 1개의 분리막 엘리먼트당 얻어지는 투과 유체의 양이 커지도록 형성되어 있다. 분리막 엘리먼트로서는, 용도나 목적에 맞게, 스파이럴형, 중공사형, 플레이트·앤드·프레임형, 회전 평막형, 평막 집적형 등의 각종 형상이 제안되어 있다.
예를 들어, 역침투 여과에는, 스파이럴형 분리막 엘리먼트가 널리 사용된다. 스파이럴형 분리막 엘리먼트는 집수관과, 집수관의 주위에 감긴 분리막 유닛을 구비한다. 분리막 유닛은, 공급수로서의 원수(즉, 피처리수)를 분리막 표면에 공급하는 공급측 유로재, 원수에 포함되는 성분을 분리하는 분리막, 및 분리막을 투과하여 공급측 유체로부터 분리된 투과 유체를 집수관으로 유도하기 위한 투과측 유로재가 적층됨으로써 형성된다. 스파이럴형 분리막 엘리먼트는 원수에 압력을 부여할 수 있으므로, 투과 유체를 많이 취출할 수 있는 점에서 바람직하게 사용되고 있다.
분리막 엘리먼트를 사용하여 공급수를 처리할 때에 공급수 중의 염 등의 용존 물질이 분리막에 수직인 방향을 따라서 농도 구배를 형성하는 농도 분극이 발생하는 경우가 있다. 이러한 농도 분극에 의한 엘리먼트 성능 저하를 억제하기 위해서는, 예를 들어 공급측 유로재의 두께를 얇게 하고, 공급수의 막면 선속도를 크게 하여, 막면에 발생하는 농도 분극층을 얇게 하면 된다. 그러나, 공급측 유로재의 두께를 얇게 하면, 공급수 중의 불순물이나 미생물에 의한 파울링 물질이 공급측의 유로를 폐색하여 엘리먼트 성능이 저하되거나, 또한 엘리먼트의 압력 손실이 커져, 공급수를 공급하는 펌프의 필요 동력이 커지기 때문에 전력 비용이 높아지거나, 엘리먼트가 파손된다는 문제가 발생한다. 그래서, 공급측 유로재에 의한 분리막 엘리먼트의 성능 향상이 제안되어 있다.
구체적으로는, 특허문헌 1 및 2에서는, 공급측 유로재 중의 섬유상물의 배열을 제어함으로써, 유동 저항을 저감시킨 네트가 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 3에서는 종사 및 횡사가 비원형 단면인 직물상의 유로재가 고안되어 있다.
그러나, 상기한 분리막 엘리먼트는, 공급측 유로의 유동 저항의 저감과 농도 분극의 억제의 밸런스가 충분하다고 할 수는 없고, 또한 분리막 엘리먼트로 하였을 때에 막 변형의 영향으로 공급수 유입 단부면 부분이나 엘리먼트 내부의 공급측 유로가 부분적으로 폐색되는 경우가 있었다. 그래서, 본 발명은, 공급수 유입 단부면 부분이나 엘리먼트 내부의 공급측 유로의 폐색을 억제하여, 공급측 유로의 유동 저항을 저감시키면서, 농도 분극을 억제할 수 있는 분리막 엘리먼트를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면, 적어도 집수관과, 분리막과, 공급측 유로재와, 투과측 유로재를 구비하는 분리막 엘리먼트이며, 상기 공급측 유로재는, 상기 분리막의 2개의 면 사이에 배치되어 공급측 유로를 형성하고 있으며, 상기 공급측 유로재는, 일 방향으로 배열된, 섬유상물 A로 구성되는 복수의 섬유상열 X, 및 상기 섬유상열 X와는 다른 방향으로 배열된, 섬유상물 B로 구성되는 복수의 섬유상열 Y가 서로 입체 교차하여 교점을 형성한 네트 형상이고, 상기 섬유상물 A 및 상기 섬유상물 B 중 적어도 한쪽은, 길이 방향을 따라서 태경부와 세경부를 갖고, 상기 섬유상물 A 및 상기 섬유상물 B 중 적어도 한쪽은, 임의의 섬유상열을 포함하는, 당해 임의의 섬유상열의 길이 방향에 따른 종단면에 있어서, 상기 섬유상열 X 및 상기 섬유상열 Y의 교점부간에 있어서의 중앙부가 상기 태경부에 비해 세경의 실로 구성되어 있고, 공급측 유로 면적률이 45 내지 65％이며, 또한 상기 공급측 유로재의 평면으로부터 두께 방향으로 관찰하였을 때, 임의의 교점과 인접하는 교점간의 섬유가 한쪽으로부터 다른 쪽을 향해 테이퍼상으로 확경되어 있는 테이퍼상 섬유인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 테이퍼상 섬유의 테이퍼율이 1/20 내지 1/3의 범위인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 테이퍼상 섬유가, 원수측으로부터 농축수측을 향해 끝이 가늘어진 형상인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 공급측 유로재의 강연도(m)가 0.07m 이상 0.14m 이하인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 공급측 유로재는, 상기 공급측 유로재의 두께와 면적의 곱으로 표시되는 총 체적 V에 대한 공극 체적 v의 비율이 90 내지 97％의 범위인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 공급측 유로재의 공극 체적 v에 대한 상기 분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적 F의 비율이 90％ 이상인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 공급측 유로재의 원수 흐름 방향에 대하여 수직 방향의 교점부의 간격이 3 내지 5mm의 범위인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 공급측 유로재의 원수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부의 간격이 4 내지 8mm의 범위인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 공급측 유로재가, 상기 공급측 유로재의 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향의 횡단면 Z에 있어서, 상기 임의의 섬유상물의 최대 직경 W1과 상기 최대 직경 W1에 대하여 수직인 방향의 최대 직경 W2가, 1.2<W1/W2<3.0의 관계를 충족시키는 분리막 엘리먼트가 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 투과측 유로재가 환편 트리코트인 분리막 엘리먼트가 제공된다.
본 발명에 의해, 공급측 유로가 폐색되는 것에 의한 차압 상승을 억제하면서, 농도 분극을 저감시킬 수 있기 때문에, 운전 안정성이 우수한 분리막 엘리먼트를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 분리막 엘리먼트는, 공급측 유로재의 두께를 얇게 할 수 있으므로, 1개의 엘리먼트당 충전 막 면적, 즉 엘리먼트 조수량을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 분리막 엘리먼트는, 공급측 유로재를 평면으로부터 두께 방향으로 관찰하였을 때, 섬유상물이 테이퍼부를 가지므로, 급격한 유로 확대·축소를 저감시켜, 유동 저항을 저감시킬 수 있고, 또한 섬유의 교점부의 입체 형상이 완만하기 때문에 분리막의 막면에의 흠집 발생을 억제할 수 있다.
도 1은, 분리막 엘리먼트의 일례를 나타내는 일부 전개 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 공급측 유로재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 공급측 유로재의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)는, 본 발명의 공급측 유로재의 예를 나타내는 평면도이다.
도 5의 (a) 및 도 5의 (b)는, 본 발명 이외에 적용되는 공급측 유로재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 6은, 본 발명의 공급측 유로재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는, 본 발명의 공급측 유로재의 예를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명 이외에 적용되는 공급측 유로재의 예를 나타내는 단면도이다.
도 9의 (a) 내지 도 9의 (d)는, 본 발명의 공급측 유로재를 구성하는 섬유상물을 절단한 단면의 예를 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 공급측 유로재를 구성하는 섬유상물을 절단한 단면의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 공급측 유로재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 공급측 유로재의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)는, 본 발명의 공급측 유로재의 예를 나타내는 평면도이다.
도 5의 (a) 및 도 5의 (b)는, 본 발명 이외에 적용되는 공급측 유로재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 6은, 본 발명의 공급측 유로재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는, 본 발명의 공급측 유로재의 예를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명 이외에 적용되는 공급측 유로재의 예를 나타내는 단면도이다.
도 9의 (a) 내지 도 9의 (d)는, 본 발명의 공급측 유로재를 구성하는 섬유상물을 절단한 단면의 예를 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 공급측 유로재를 구성하는 섬유상물을 절단한 단면의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 상세하게 설명한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 「질량」은 「중량」과 동일한 의미이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「내지」는 그 전후에 기재된 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 것을 의미한다.
<분리막 엘리먼트>
본 발명의 분리막 엘리먼트는, 적어도 집수관과, 분리막과, 공급측 유로재와, 투과측 유로재를 구비한다.
도 1에 나타내는 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에서는, 공급측의 유로를 형성하는 공급측 유로재(2)로서는, 고분자제의 네트가 사용되고 있다. 또한, 투과측 유로재(4)로서는, 분리막(3)의 빠짐을 방지하며, 또한 투과측의 유로를 형성시킬 목적으로, 공급측 유로재(2)보다도 간격이 미세한 트리코트가 사용되고 있다. 투과측 유로재(4)와 해당 투과측 유로재(4)의 양면에 중첩하여 봉투상으로 접착된 분리막(3)에 의해, 봉투상막(5)이 형성된다. 봉투상막(5)의 내측이 투과측 유로를 구성하고 있다. 공급측 유로재(2)와 교호로 적층된 봉투상막(5)은, 개구부측의 소정 부분을 집수관(6)의 외주면에 접착하여 스파이럴상으로 감아 둘러싼다. 도 1에 나타내는 x축의 방향이 집수관(6)의 길이 방향이다. 또한 y축의 방향이 집수관(6)의 길이 방향과 수직인 방향이다.
스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)에서는, 통상적으로 한쪽의 측면에서, 공급수(7)가 공급되고, 공급수(7)는 집수관(6)과 평행하게 흐르면서, 투과수(8)와 농축수(9)로 서서히 분리된다. 투과수(8)는, 공급수(7)가 공급되는 반대의 측면으로부터 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)의 외부로 나간다.
이 방식에 있어서는, 공급수(7)가 스파이럴형 분리막 엘리먼트(1)의 한쪽의 측면에서 다른 쪽의 측면으로 흐르기 때문에 필연적으로 막에 접해 있는 거리가 충분하고, 그것에 의해 공급수(7)가, 투과수(8)와 농축수(9)로 충분히 분리된다는 특징이 있다. 분리막 엘리먼트로서는 다양한 형태가 있지만, 분리막의 한쪽의 면에 공급수를 공급하고, 다른 쪽의 면으로부터 투과수를 얻는 점에서는 공통되어 있다. 본 발명의 분리막 엘리먼트로서는, 용도나 목적에 맞게, 스파이럴형 이외에도, 플레이트·앤드·프레임형이나 평막 집적형 등의 평막을 사용하는 각종 형상의 분리막 엘리먼트에 채용할 수 있다.
<공급측 유로>
(공급측 유로재)
본 실시 형태의 공급측 유로재는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 일 방향으로 배열된, 섬유상물 A(21)로 구성되는 복수의 섬유상열 X, 및 섬유상열 X와는 다른 방향으로 배열된, 섬유상물 B(22)로 구성되는 복수의 섬유상열 Y로 구성되고, 섬유상열 X와 섬유상열 Y가 서로 입체 교차하여 복수의 지점에서 교점을 형성한 네트 형상을 이루고 있다.
분리막 엘리먼트에 있어서, 분리막 표면에 발생하는 농도 분극을 억제하기 위해서는, 공급수의 체류 개소, 즉 공급측 유로의 폐색 개소를 저감시키고, 섬유상물 주변의 난류 정도를 증가시키는 것이 중요하다. 난류에 의해 분리막 표면에 아직 막에 접촉되지 않은 공급수가 공급되기 때문이다.
공급수는 공급측 유로재의 섬유상물의 사이를 따라서 퍼지면서 흐르기 때문에, 공급수의 흐름 방향과 평행하지 않은 섬유상물은, 공급수의 흐름의 장애가 되어, 난류의 정도를 증가시키는 역할을 한다. 한편, 공급수의 흐름 방향과 평행하지 않은 섬유상물은 유로를 막아, 공급수의 흐름을 방해하게 되기 때문에 유동 저항이 높아지는 경향이 있다. 그래서, 섬유상물 A 및 섬유상물 B 중 어느 것은, 임의의 섬유상열을 포함하는, 당해 섬유상열의 길이 방향에 따른 종단면에 있어서, 섬유상열 X 및 섬유상열 Y의 교점부간에 있어서의 중앙부를 교점부에 비해 세경의 실로 구성한다. 이에 의해, 난류 강도와 유동 저항의 밸런스가 개선된다.
분리막 엘리먼트에 있어서, 투과의 구동력은 막간차압이기 때문에, 조수량을 향상시키기 위해서는 막간차압을 증가시키는 것이 유효하다. 막간차압은, 분리막 엘리먼트에의 인가 압력으로부터 유동 저항과 침투압을 차감한 것으로 표시된다. 따라서, 막간차압을 증가시키기 위해서는, 인가 압력을 크게 하거나, 유동 저항을 낮추거나 또는 막면 침투압을 낮추는 것이 필요하다. 인가 압력이 동일한 경우를 생각하면, 조수량 향상을 위해서는 유동 저항이나 막면 침투압을 낮추면 된다.
유동 저항은, 공급측 유로재의 공극률이 크게 영향을 미친다. 공극률이 높아지면 유체의 장애가 되는 개소가 줄어들기 때문에, 유동 저항은 저하되고, 공극률이 낮아지면 유체의 장애가 되는 개소가 증가하기 때문에, 유동 저항은 증가한다. 그러나, 유동 저항을 낮추려고 공극률을 높이면, 공급측 유로재를 구성하는 수지 등의 양이 감소하는 것으로 연결되기 때문에, 공급측 유로재의 강성이 저하된다. 예를 들어, 교점부간의 실이 가늘어져 있고, 네킹(고분자 재료를 신장하였을 때, 해당 고분자 재료가 균일하게 신장되지 않고, 항복 후에 국부적인 잘록부가 발생하는 현상을 가리킴)이 존재하는 네트이면, 공극률이 향상되어, 유동 저항의 점에서 유리하다. 그러나, 이와 같은 네트는 강성이 저하되어버려, 네트가 신축되어버리기 때문에, 네트의 일정 길이 치수 커트가 곤란해지거나, 네트의 장치 통과성이 악화되는 둘러감길 때의 트러블을 일으키는 경우가 있다. 또한, 네트의 강성이 저하되어버림으로써, 엘리먼트 운전 시의 네트의 어긋남과 같은 트러블을 일으키는 경우가 있다.
본 실시 형태에서는, 섬유상물 A 및 섬유상물 B 중 적어도 한쪽이, 그 길이 방향을 따라서 태경부와 세경부를 갖고, 테이퍼상을 한 부분을 갖는 섬유로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 테이퍼에 대하여는, 이하의 「(섬유 형상)」에서 설명한다.
섬유상물 A, B 중 적어도 한쪽이 테이퍼상의 섬유로 구성됨으로써, 공급측 유로재의 강성을 유지하면서, 유동 저항 상승의 원인이 되는 유체의 급축류·급확류를 억제할 수 있어, 유동 저항을 저감시킬 수 있다. 섬유상물 A, B는 한쪽이 테이퍼상의 섬유여도 되고, 양쪽이 테이퍼상의 섬유여도 된다.
침투압은, 분리막 표면에 발생하는 농도 분극이 커지면 상승한다. 분리막 엘리먼트에 있어서, 공급수의 유속이 느린 경우이거나, 막면에서 유체가 박리되거나, 섬유의 전후에 유체가 흐르기 어려운 상태이면, 농도 분극의 상승으로 연결된다. 즉, 농도 분극을 억제하기 위해서는, 막면 유속을 높이거나, 혹은 막면에 접하는 섬유를 저감시키는 것이 효과적이다. 그래서, 섬유상물 A 및 섬유상물 B는, 임의의 섬유상열을 포함하는 종단면에 있어서, 섬유상열 X 및 섬유상열 Y의 교점부간에 있어서의 중앙부가 태경부에 비해 세경의 실로 구성되어 있거나, 교점부간에 있어서 어느 한쪽으로부터 다른 쪽에 걸쳐 테이퍼상으로 되어 있음으로써, 분리막의 막면에 접하는 섬유가 적어지고, 농도 분극의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 이와 같은 구성에 의해, 공급측 유로재의 공극률이 향상되기 때문에, 유동 저항의 저감에도 효과가 있다.
본 실시 형태에 있어서, 섬유상열 X 및 섬유상열 Y의 교점부간에 있어서의 중앙부란, 도 3에 부호 R2로서 나타내는 바와 같이, 섬유상물 A 및 섬유상물 B 중 어느 것의, 임의의 섬유상열을 포함하는, 당해 섬유상열의 길이 방향에 따른 종단면에 있어서, 인접하는 2개의 교점부 P간의 거리 R1을 10등분하였을 때의, 편측의 교점부 P로부터 다른 한쪽의 교점부 P를 향해서 30％ 이상 70％ 이하까지의 범위, 즉 교점부 P간의 중심점 P0으로부터 각각 인접하는 교점을 향해서 20％까지의 범위를 말한다.
(섬유 형상)
본 실시 형태에 있어서의 테이퍼상이란, 섬유상물 A와 섬유상물 B가 형성하는 교점과, 인접하는 교점 사이의 섬유가 한쪽으로부터 다른 쪽을 향해 확경되어 있는, 구체적으로, 끝이 가는 형상 또는 끝이 굵은 형상으로 되어 있는 것을 가리킨다. 여기에서는, 편의상, 테이퍼상의 섬유를 테이퍼, 섬유가 끝이 가는 형상으로 되어 있지 않고 실 직경이 균일한 것을 곧은 형(寸胴), 교점간의 섬유가 가늘어져 있고, 네킹이 존재하는 섬유를 네킹이라 호칭한다. 예를 들어, 도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같은 공급측 유로재(2a 내지 2c)에 있어서의 섬유상열의 교점간의 형상이 테이퍼, 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같은 공급측 유로재(2d)에 있어서의 섬유상열의 교점간의 형상이 곧은 형, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같은 공급측 유로재(2e)에 있어서의 섬유상열의 교점간의 형상이 네킹에 해당한다.
도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 공급측 유로재(2a)의 평면에 대하여 수직인 방향으로부터 관찰하였을 때, 섬유가 한쪽으로부터 다른 쪽으로 끝이 가는 형상으로 되어 있으면 된다. 끝이 가는 형상으로 되어 있음으로써, 실로부터의 유체 박리를 억제하고, 유동 저항을 낮출 수 있다. 바람직하게는, 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 테이퍼상의 섬유가 일정한 방향, 구체적으로 공급수(원수)측으로부터 농축수측을 향해 끝이 가늘어진 형상이다. 이러한 형상이면, 실로부터의 유체의 박리를 억제하고, 유체의 급확류 및 급축류를 방지하여, 유동 저항을 저감시킬 수 있다.
또한, 공급측 유로재의 평면을 관찰하였을 때, 섬유가 중첩되는 부분에는, 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이 물갈퀴부(w)가 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 「물갈퀴부」란, 테이퍼상 섬유의 태경부가 중첩되었을 때에 형성되는, 평면에서 보아 섬유의 중앙부보다도 폭이 넓은 부분을 말한다. 공급측 유로재에 물갈퀴부(w)가 형성되면, 각각의 교점의 강도가 향상되고, 네트 전체의 강성이 높아지기 때문에, 일정 길이 치수 커트나 장치 통과성이라는 둘러감길 때의 핸들링성이 높아지거나, 장기 운전 시에 네트가 어긋나기 어려워진다.
또한, 섬유가 곧은 형 형상이나 네킹인 경우에 비해, 테이퍼상이면, 교점부의 수지량이 증가하고, 교점부의 형상이 중앙부에 비교하여 폭이 넓어져 완만해지기 때문에, 막이 흠집이 생기기 어렵고, 제거율이 저하되기 어렵다.
또한, 네킹이면, 실 직경이 가는 비율이 많기 때문에, 공급측 유로 면적률을 높이기 쉽고, 공급측 유로재의 공극률이 커져, 유동 저항을 낮출 수 있다. 그러나, 테이퍼 형상과 동일 유로 면적률에서 비교한 경우, 네킹 형상이면 네킹 개소에서 유로가 급격하게 확대 혹은 축소되기 때문에, 에너지 손실이 일어나고, 차압이 커지는 경향이 있다. 또한, 네킹 형상은 실 직경이 가는 비율이 많기 때문에, 강성이 낮아지기 쉬운 경향이 있다.
(교점부 및 중앙부의 실 직경 측정)
어느 섬유상열의 길이 방향에 따른 당해 섬유상열의 종단면에 있어서, 도 3에 있어서의 2개의 실이 중첩된 교점부 P의 두께 L4가 교점부의 실 직경이 되고, 또한 교점부간에 있어서의 중앙부 R2의 평균 두께 L5가 중앙부의 실 직경이 된다.
본 실시 형태에 있어서, 중앙부 R2의 실 직경(평균 두께 L5)은 바람직하게는 0.10mm 이상 0.75mm 이하, 보다 바람직하게는 0.15mm 이상 0.50mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.20mm 이상 0.40mm 이하이다. 중앙부 R2의 실 직경이 이 범위라면, 공급측 유로재의 두께를 얇게 하는 경우에도 공급측 유로의 유동 저항을 저감시키면서, 농도 분극을 억제할 수 있고, 분리막 엘리먼트의 탈염율 및 조수성의 향상이 가능해진다.
또한, 교점부 및 중앙부의 실 직경(두께)의 측정에는 시판되고 있는 마이크로스코프나 X선 CT 측정 장치에서 섬유상열에 평행한 종단면을 관찰하고, 그 거리를 측정함으로써 구할 수 있고, 측정 모드를 사용하여 교점부 또는 중앙부의 임의의 30군데의 직경을 측정하여, 그 평균값으로 할 수 있다.
(공급측 유로재의 두께)
공급측 유로재의 두께는, 실질적으로 섬유상물 A(21) 및 섬유상물 B(22)의 교점부의 두께 L4에 상당한다. 즉, 섬유상물 A(21)와 섬유상물 B(22)의 두께의 합계이다. 도 3에 나타내는 바와 같이 섬유상열 X 및 섬유상열 Y는 교점 부분에 있어서 부분적으로 융합된다.
본 실시 형태에 있어서, 공급측 유로재의 평균 두께는 바람직하게는 0.20mm 이상 1.5mm 이하, 보다 바람직하게는 0.30mm 이상 0.85mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.50mm 이상 0.80mm 이하이다. 공급측 유로재의 평균 두께가 이 범위라면, 공급수의 막면 선속도가 커져 막면의 흐름이 흐트러지므로, 막면에 발생하는 농도 분극층이 얇아지고, 따라서 엘리먼트의 분리 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 공급수 중의 불순물이나, 미생물 등의 파울런트에 의한 공급측 유로의 폐색을 억제하고, 펌프의 필요 동력을 크게 하지 않고, 장기에 걸쳐 안정적으로 분리막 엘리먼트의 운전을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 교점부의 두께 L4에 대한 중앙부의 평균 두께 L5의 비율 「L5/ L4」는, 0.2 이상 0.55 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.25 이상 0.50 이하이다. 교점부와 중앙부의 실 직경의 비율이 이 범위라면, 공급측 유로 면적률을 높이고, 분리막 엘리먼트 내부의 공급측 유로를 충분히 확보하는 것이 가능해진다.
공급측 유로재의 평균 두께는, 무작위로 선택한 10군데 이상의 섬유상물 A 및 섬유상물 B의 교점부의 두께, 즉 섬유상물 A 및 섬유상물 B의 두께의 합계에 대하여, 마이크로스코프나 X선 CT 측정 장치, 정밀 두께 게이지 등으로 측정한 값의 평균값이며, 측정값의 합계/측정 개소수로 산출할 수 있다.
또한, 공급측 유로재의 두께 변동은, 공급측 유로재의 평균 두께의 0.9배 이상 1.1배 이하인 것이 바람직하다. 공급측 유로재의 두께 변동이 이 범위라면, 분리막 엘리먼트에 균일하게 공급수를 공급할 수 있기 때문에, 분리막의 성능을 균일하게 발휘시킬 수 있다.
(공급측 유로 면적률)
본 실시 형태에서는, 어느 섬유상열의 길이 방향에 따른 당해 섬유상열의 종단면에 있어서의 공급측 유로 면적률이 45 내지 65％의 범위이다. 여기서 공급측 유로 면적률(％)은 도 3에 도시한 바와 같이, 섬유상열에 평행한 종단면에 있어서, 교점부의 두께에 기초하여, 섬유상열을 포함하는, 당해 섬유상열의 길이 방향에 따른 종단면에 있어서의 공간의 평균 면적을 A1, 섬유상열의 종단면에 있어서의 인접하는 2개의 교점부간의 평균 면적을 A2로 하였을 때, A1/A2×100으로 나타낼 수 있다. 공급측 유로 면적률이 45％ 이상이면, 유동 저항이 작아져 압력 손실이 감소되는 경향이 있다. 또한 공급측 유로의 면적률을 65％보다 높게 하면, 네트 소재나 교점부 간격에 따라서 다르지만, 네트의 강성 저하에 의해, 장치 통과성이 악화되거나 일정 길이 치수 커트가 곤란해지는 등의 취급성이 악화되거나, 공급수의 유속이 저하되고, 막면의 농도 분극이 증대되어, 분리막 엘리먼트의 탈염율이나 조수량이 저하되거나 하는 원인이 되는 경우가 있다.
공급측 유로 면적률은, 임의의 30군데의 공급측 유로 면적률을 측정하여, 그 평균값으로 할 수 있다.
(공급측 유로재의 공극 체적 v)
본 실시 형태의 공급측 유로재의 공극 체적이란, 공급측 유로재 중의 공급측 유로가 될 수 있는 부분의 체적을 말한다. 공급측 유로재의 공극 체적 v는, 공급측 유로재의 두께와 해당 공급측 유로재의 절출 면적의 곱으로 표시되는 총 체적 V에 대하여, 절출 면적(예를 들어 30cm×30cm)당 공급측 유로재의 중량을 공급측 유로재 소재의 비중으로 제산함으로써 공급측 유로재 본체의 체적을 산출하고, 총 체적으로부터 공급측 유로재 본체의 체적을 감함으로써 구할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 공급측 유로재의 공극 체적 v의 비율은 90 내지 97％의 범위인 것이 바람직하다. 공급측 유로재의 공극 체적 v가 이 범위라면, 공급측 유로재의 취급성을 악화시키지 않고 공급수의 난류 강도와 유동 저항의 밸런스가 개선된 분리막 엘리먼트로 할 수 있다.
(분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적 F)
본 실시 형태의 분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적이란, 공급측 유로재를 사용하여 제작한 분리막 엘리먼트, 즉 분리막의 2개의 면 사이에 배치된 공급측 유로재의 공급측 유로가 될 수 있는 부분의 체적을 말한다. 공급측 유로재의 공극 체적 v에 대한 분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적 F의 비율이 90％ 이상인 것이 바람직하다. 공급측 유로재의 공극 체적 v에 대한 분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적 F의 비율이 90％ 이상이면, 분리막 엘리먼트 내부의 공급측 유로가 충분히 확보되어, 공급수 흐름에 의한 압력 손실을 저감시킬 수 있다.
공급측 유로재의 공극 체적 v의 측정은, X선 CT 측정 장치에 의해 분리막 엘리먼트를 비파괴의 상태에서, 즉 분리막 엘리먼트 제작 시의 막 변형의 영향을 반영한 상태에서 촬영하는 것이 바람직하다. 단, 분리막 엘리먼트의 사이즈가 커서 비파괴에서의 촬영이 곤란한 경우에는, 분리막 엘리먼트를 측정 가능한 사이즈로 적절히 절단하여 복수의 파트로 한 후, 절단의 영향이 없는 부분을 마찬가지로 촬영하는 방법도 채용 가능하다. X선 CT 측정에 의해 공급측 유로재가 분리막의 2개의 면 사이에 배치된 상태에서의 단면상이 얻어지고, 그것을 화상 해석함으로써 실제로 분리막 엘리먼트 내부에 형성되어 있는 공급측 유로 체적 F를 산출한다. 또한 화상 해석 시의 절출 면적은, 공급측 유로재의 공극 체적 v를 측정할 때와 마찬가지로 한다.
(교점부 간격)
본 실시 형태에서는, 도 2에 나타내는, 공급측 유로재(2)의 공급수 흐름 방향(원수 흐름 방향)에 대하여 수직 방향의 교점부 간격(교점부 주기) c가 3 내지 5mm의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3.5 내지 4.5mm의 범위이다. 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 수직 방향의 교점부 간격 c가 이 범위라면, 분리막 엘리먼트의 제작 시에 분리막이 공급측 유로재의 공극 부분에 빠지는 현상을 억제할 수 있고, 특히 공급수 유입 단부면 부분의 유로를 안정적으로 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부 간격 d는 4 내지 8mm의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4.5 내지 6.0mm의 범위이다. 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부 간격 d가 이 범위라면, 공급수의 난류 강도와 유동 저항의 밸런스를 양립시킬 수 있기 때문에, 분리막 엘리먼트의 탈염율 및 조수성의 향상이 가능해진다.
교점부 간격의 측정 방법으로서는, 공급측 유로재를 두께 방향의 상부(즉, 공급측 유로재의 평면)로부터 관찰하고, 예를 들어 마이크로스코프에 의해 거리를 측정할 수 있다.
(공급수 흐름 방향과 섬유상물의 각도)
공급측 유로재를 평면에서 관찰하였을 때, 공급수 흐름 방향(즉, 집수관의 길이 방향)과 섬유상물의 각도가 커짐에 따라서 난류 강도가 증가하기는 하지만, 유동 저항이 증가하는 경향이 있다. 따라서, 상기 각도는 15° 이상 50° 이하가 바람직하고, 30° 이상 45° 이하가 더욱 바람직하다.
(공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율)
본 실시 형태에서는, 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율이 0.05 내지 0.2의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.15의 범위이다. 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율이 이 범위라면, 분리막 표면의 공급수 체류 부위를 적게 할 수 있고, 분리막 표면에 효율적으로 공급수를 공급할 수 있다. 따라서, 운전 시의 배탁(排濁)성을 높이고, 특히 고회수율로 운전을 행한 경우에 있어서도, 스케일 발생 등의 트러블을 억제할 수 있다.
공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율을 0.05 내지 0.2의 범위로 하는 방법으로서는, 후술하는 공급측 유로재의 연신 성형에 의해, 교점부의 두께가 유지된 채로, 교점부간의 섬유상물에 있어서 실 직경이 상이한 영역이 존재하는 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율이 작은 네트를 사용하는 방법이나, 공급측 유로재가 끼워 넣어진 분리막 리프를 투과측 유로재와 함께 집수관에 둘러감을 때의 압력을 상기 접촉 면적 비율의 범위에 들어가도록 조정하여 분리막 엘리먼트를 제작하는 방법 등, 어느 방법도 채용할 수 있다.
공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율의 측정 방법으로서는, 분리막 엘리먼트를 해체하여 분리막을 5cm×5cm로 절출하고, 분리막을 두께 방향의 상부로부터 마이크로스코프에 의해 관찰하고, 분리막 엘리먼트 제작 시에 공급측 유로재가 분리막에 압박되어 생긴 자국의 막면을, 절출 면적으로 나누어 산출하는 방법이나, 공급측 유로재와 분리막의 사이에 감압지를 끼워 넣어 분리막 엘리먼트 제작하고, 그 후 분리막을 해체하여 감압지를 회수 후, 감압지의 발색된 부분을 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 부분으로 하고, 화상 해석에 의해 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율을 산출하는 방법 등을 들 수 있다.
(섬유상열의 교점)
도 6에 나타내는 바와 같이, 공급측 유로재(2)의 평면을 관찰하였을 때, 섬유상열 X와 섬유상열 Y가 형성하는 다각형 S의 대각끼리를 직선으로 연결하고, 2개의 직선이 서로 교차하고 또한 섬유가 있는 개소를 섬유상열 X와 섬유상열 Y의 실의 교점으로 정의한다. 교점에 곡률이 있는 경우도 대각으로 간주한다.
(테이퍼율)
도 6에 나타내는 바와 같이, 임의의 섬유의 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 4개의 교점을 B1 내지 B4로 한다. 선분 P1B1 내지 P1B4 중, 선과 섬유의 윤곽이 교차하는 점 중, P1과의 거리가 가장 커지는 점 Q1을 선택하고, 선분 P1Q1의 길이를 L1로 한다. 교점 P1과 인접하는 임의의 교점 P2에 대하여, 교점 P1과 마찬가지의 작업을 행하여, 점 Q2를 결정하고, 선분 P2Q2의 길이를 L2로 한다. L1 및 L2를 반경으로 하는 원 C1, C2를 작성하고, 교점 P1과 교점 P2를 연결하는 직선의 길이로부터 L1과 L2를 그은 직선의 길이를 L3으로 한다. 선분 P1P2에 수직이면서 선분 P1P2를 통과하는 원 C1의 접선과 원 C2의 접선을 작성하고, 각각의 접선이 형성하는 실 직경을 D1 및 D2로 한다. 테이퍼율 T는 이하와 같이 정의한다.
테이퍼율은 1/20 내지 1/3이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1/15 내지 1/4의 범위이다. 테이퍼율이 이 범위임으로써, 실로부터의 유체 박리를 억제하고, 유체의 급확류 및 급축류를 방지하여, 유동 저항을 저감시킬 수 있다. 테이퍼율이 1/3을 초과하면, 테이퍼율이 너무 높기 때문에, 교점부가 커지고, 유동 저항이 커지는 것 이외에도, 막면과의 접촉 면적이 너무 커져서 스케일의 부착량이 증가하는 경향이 있다.
(섬유의 측면 형상)
공급측 유로재(2)의 평면에 대하여 평행하면서 또한 임의의 섬유상물 A 또는 섬유상물 B에 수직인 방향으로부터 관찰하였을 때, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이 섬유상물 A 및 섬유상물 B가 한쪽의 교점부 P로부터 다른 한쪽의 교점부 P를 향하여 테이퍼상으로 되어 있어도, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이 교점부 P간의 중앙부의 실 직경이 가늘어져 있어도 된다. 편의상, 도 7의 (a)의 형상을 이경(異徑), 도 7의 (b)의 형상을 테이퍼라 호칭한다. 또한, 도 8과 같이, 교점간에서 실 직경이 가늘어지지 않는 형상을 곧은 형이라고 호칭한다.
본 발명에 있어서의 태경부는, 도 3에 있어서, 섬유상물 A(21) 혹은 섬유상물 B(22) 중 예를 들어 섬유상물 A(21)의 측면을 관찰할 때, 공급측 유로재의 평면에 수직인 방향으로 섬유상물 B와 인접하는 섬유상물 B'의 단면의 접선 2개가 섬유상물 A를 통과하는 선분이며, 각각 태경부 D3, 태경부 D4로 하고, 이들 어느 한쪽에 비해 중앙부 R2가 세경의 섬유로 구성되어 있으면 된다. 중앙부의 실 직경/태경부의 실 직경은 0.9 내지 0.2의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8 내지 0.3이다. 중앙부의 실 직경/태경부의 실 직경이 이 범위라면 측면 형상은 막론하고, 도 7의 (a) 및 도 7의 (b) 등의 형상을 예로서 들 수 있다. 공급측 유로재의 공극률을 높이고, 압력 손실을 저감시키면서, 오염 물질이나 스케일의 막면에의 부착을 억제할 수 있다.
(공급측 유로재의 섬유의 단면 형상)
공급측 유로재의 섬유의 단면 형상으로서는, 도 9의 (a) 내지 도 9의 (d)에 나타내는 바와 같이 편평 형상이나 유선형 형상인 것이 바람직하다. 이들 도형의 일부가 결여되어 있는 형상이어도 된다.
이 편평 형상은, 공급측 유로재의 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향의 횡단면 Z에 있어서, 임의의 섬유상물의 최대 직경 W1과 상기 최대 직경 W1에 대하여 수직인 방향의 최대 직경 W2가, 1.2<W1/W2<3.0의 관계를 충족시키는 것이 바람직하고, 비 W1/W2가 1.5 내지 2.5의 범위인 것이 보다 바람직하다. 비 W1/W2가 상기 범위라면, 교점부가 완만해지기 때문에, 장기 운전을 행하였을 때의 막면에의 흠집 발생을 억제할 수 있고, 또한 이 범위라면 공급측 유로재와 막의 사이에 형성되는 유로가 완만하게 확대 혹은 축소되기 때문에, 막면으로부터의 유체 박리를 억제하고, 용존염의 농도 분극의 상승을 억제할 수 있다.
실 직경의 최대 직경 W1과 해당 최대 직경 W1에 수직인 실 직경의 최대 직경 W2는, 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향의, 무작위로 선택한 10군데 이상의 횡단면을 마이크로스코프나 X선 CT 측정 장치 등에서 측정한 값의 평균값이며, 측정값의 합계/측정 개소수로 산출할 수 있다.
(공급측 유로재의 섬유의 경사각)
공급측 유로재의 섬유의 단면의 경사각은, 이하에 정의하는 것이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 원수(공급수)측으로부터 농축수측을 향해 공급측 유로재의 횡단면을 관찰하였을 때, 공급측 유로재의 횡단면에 대하여 평행하면서 또한 공급측 유로재에 대하여 수직인 방향으로 수선을 긋고, 임의의 섬유상물의 최대 직경 W1과 상기 수선의 시계 방향으로 이루는 각을 경사각으로 정의한다. 예를 들어, 수선으로부터 직각으로 경사져 있는 경우, 경사각은 90°가 된다. 이 경사각은 10° 내지 170°의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 30° 내지 150°의 범위이다. 이 범위라면, 압력 손실을 억제하면서, 막면으로부터의 유체 박리를 억제할 수 있다. 섬유의 경사각은, 차압이나 막면의 유체 박리의 밸런스로부터, 최적인 각도를 마련할 수 있다.
경사각은, 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향의, 무작위로 선택한 10군데 이상의 횡단면을 마이크로스코프나 X선 CT 측정 장치 등에서 측정한 값의 평균값이며, 측정값의 합계/측정 개소수로 산출할 수 있다.
(공급측 유로재의 단위 면적당 중량)
공급측 유로재의 단위 면적당 중량은, 15 내지 120g/m2의 범위인 것이 바람직하다. 단위 면적당 중량이 이 범위임으로써, 유동 저항과 엘리먼트 장기 운전 시의 네트의 튀어나옴이나 어긋남의 밸런스가 양호하여, 엘리먼트 성능을 향상시킬 수 있다.
공급측 유로재의 단위 면적당 중량은, 1m×1m의 사이즈로 커트한 공급측 유로재를 최저 5개의 중량을 측정하고, 측정값의 합계/측정 개수로 산출할 수 있다.
또한, 공급측 유로재의 단위 면적당 중량의 변동은, 공급측 유로재의 평균 단위 면적당 중량의 0.9배 이상 1.1배 이하인 것이 바람직하다. 공급측 유로재의 단위 면적당 중량의 변동이 이 범위라면, 분리막 엘리먼트에 균일하게 공급수를 공급할 수 있기 때문에, 분리막의 성능을 균일하게 발휘시킬 수 있다.
(공급측 유로재의 강연도)
공급측 유로재의 강연도는 0.07m 내지 0.14m의 범위인 것이 바람직하다. 공급측 유로재의 강연도가 0.07m 이상이면, 공급측 유로재의 장치 통과성이나 일정 길이 치수 커트와 같은 취급성이 양호해지는 경향이 있다. 공급측 유로재의 강연도가 0.14m를 초과하면, 스파이럴형 분리막 엘리먼트에 있어서, 분리막 유닛을 둘러감을 때, 집수관에 가까운 곡률이 큰 부분에서 공급측 유로재의 단부가 분리막에 마찰되어, 분리막에 흠집이 생기기 쉬워진다. 강연도는 공급측 유로재의 두께나 피치, 공급측 유로재의 소재에 따라서 변화된다. 이들을 적절하게 조합함으로써, 핸들링성이 양호한 공급측 유로재의 제작이 가능하다. 공급측 유로재의 두께가 너무 얇거나, 피치가 너무 넓거나 하면, 강연도가 0.07m를 하회하고, 공급측 유로재의 두께가 너무 두껍거나, 피치가 너무 좁거나 하면 강연도가 0.14m를 상회한다.
공급측 유로재의 강연도는, JIS 규격 L1096(2010) 8.21(45° 캔틸레버법)을 기초로 측정한다. 구체적으로는, 공급측 유로재에 컬이 없는 평평한 부분을 선택하고, 공급측 유로재의 길이 방향에 수직인 방향 및 평행한 방향으로 20×150mm의 사이즈로 커트한 시험편을 각각 5개씩 준비한다. 이들 시험편을 수평대 상에서 미끄러지게 하고, 45°의 경사면 고개에 시험편의 선단이 접하였을 때의 이동 거리를 정규 등으로 측정한 값의 평균값이며, 측정값의 합계/측정 개소수로 산출할 수 있다. 시험편에 컬링되어 있을 경우에는, 시험편을 3시간 이상, 시험편 자체가 변형되지 않을 정도의 힘으로 가볍게 눌러, 컬 경향을 제거하는 것이 바람직하다.
(소재)
공급측 유로재의 소재는 특별히 한정되지 않지만, 성형성의 관점에서 열가소성 수지가 바람직하고, 특히 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌은 분리막의 표면에 흡집을 내기 어렵고, 또한 저렴하므로 적합하다. 또한, 공급측 유로재는, 섬유상물 A와 섬유상물 B가 동일한 소재로 형성되어도 상관없고, 다른 소재로 형성되어 있어도 상관없다.
(제조 방법)
네트 형상의 공급측 유로재의 성형은, 일반적으로 내측과 외측의 2개의 원주 상에 다수의 구멍을 배치한 내측과 외측의 2개의 구금을 역방향으로 회전시키면서, 압출기로부터 용융시킨 수지를 공급하여, 수지가 구금으로부터 나올 때 또는 나온 직후에 내측과 외측의 구금으로부터 나오는 실을 용융 상태에서 교차시키고 용융시켜 망상 구조를 형성한다. 이 단계에서는 네트는 통 형상의 형상을 취한다. 그 후 통 형상의 네트는 냉각 고화에 의해 두께나 실 직경, 교점부 간격을 결정 후, 절개되어 시트 형상 네트로서 인취된다.
본 실시 형태과 같이, 교점 두께가 유지된 채로, 교점부간의 섬유상물에 있어서 실 직경이 상이한 영역이 존재하고, 평면에서 보았을 때에 섬유 형상이 테이퍼인 공급측 유로재를 제조하기 위해서는, 작은 구금 구멍으로부터 높은 수지 토출압으로 수지를 공급하여, 통 형상의 네트 수지가 완전히 냉각 고화되기 전에 통 형상 네트의 내측에, 통 형상 네트의 내경보다 직경이 큰 지그를 통과시켜, 폭 방향 및 길이 방향으로 동시에 인장을 가하면서 냉각 고화시키는 방법을 채용할 수 있다. 통 형상의 네트 수지가 완전히 냉각 고화되기 전에 통 형상 네트의 내측에, 통 형상 네트의 내경보다 직경이 큰 지그를 통과시켜 제작한 네트는, 교점부로부터 중앙부에 걸쳐 완만하게 섬유상물의 실 직경이 가늘어지는 것이 특징이다. 교점부간의 섬유상물에 있어서 실 직경이 균일한 곧은 형 형상의 공급측 유로재를 제조하기 위해서는, 구금 구멍으로부터 낮은 수지 토출압으로 수지를 공급하고, 통 형상의 네트 수지가 완전히 냉각 고화되기 전에 통 형상 네트의 내측에, 통 형상 네트의 내경보다 직경이 큰 지그를 통과시켜, 테이퍼 형상의 공급측 유로재보다도 낮은 비율로 폭 방향 및 길이 방향으로 동시에 인장을 가하면서 냉각 고화시키는 방법을 채용할 수 있다.
한편, 일단 통 형상의 네트 냉각 고화를 행한 후에 다시, 가열로 내에서 세로 연신 및 가로 연신을 행하는 방법에 의해 제조된 네트는, 교점부에 대하여 중앙부의 섬유상물의 실 직경이 네킹된 형상의 네트를 제조하는 것이 가능하고, 네트의 실 형상을 관찰함으로써, 양자의 제조 방법의 차이를 판별할 수 있다.
또한, 섬유상열의 교점부간에 있어서의 중앙부가 교점부에 비해 세경의 실로 구성된 네트를 제조하는 방법은 이들에 한정되지 않고, 엠보스 가공이나 임프린트 가공, 프레스법 등에 의해 교점부간의 섬유상물을 압축 변형시키는 방법, 금형에 용융 수지를 유연하여 취출하는 방법, 3D 프린터를 사용하여 제조해도 상관없다.
<투과측 유로>
(투과측 유로재)
봉투상막(5)에 있어서, 분리막(3)은 투과측의 면을 대향시켜 중첩되어 있고, 분리막(3)끼리의 사이에는 투과측 유로재(4)가 배치되고, 투과측 유로재(4)에 의해 투과측 유로가 형성된다. 투과측 유로재의 재료로서는 한정되지 않고, 트리코트나 부직포, 돌기물을 고착시킨 다공성 시트, 요철 성형하고, 천공 가공을 실시한 필름, 요철 부직포를 사용할 수 있다. 또한, 투과측 유로재로서 기능하는 돌기물을 분리막의 투과측에 고착시켜도 된다.
그 중에서도, 환편기에 의해 제조된 환편 트리코트를 사용하면, 니들 루프의 폭과 싱커 루프의 폭을 거의 동일하게 하고, 어느 루프도 유로로서 사용할 수 있을 뿐 아니라, 분리막 엘리먼트의 운전 시의 막 빠짐을 고려한 최적인 유로폭을 균일하게 제조할 수 있고, 또한 얇아도 충분한 내압성과 유동 특성을 겸비하는 투과측 유로재를 제조할 수 있기 때문에 엘리먼트 조수량을 향상시키는 점에서 바람직하다.
<분리막 리프의 형성>
분리막 리프는, 공급측의 면이 내측을 향하도록 분리막을 접음으로써 형성되어도 되고, 개개의 2매의 분리막을, 공급측의 면이 대향하도록 하여 중첩시키고, 분리막의 주위를 밀봉함으로써 형성되어도 된다.
또한, 「밀봉」하는 방법으로서는, 접착제 또는 핫 멜트 등에 의한 접착, 가열 또는 레이저 등에 의한 융착, 및 고무제 시트를 끼우는 방법을 들 수 있다. 접착에 의한 밀봉은, 가장 간편하고 효과가 높기 때문에 특히 바람직하다.
<분리막 엘리먼트의 이용>
분리막 엘리먼트는 직렬 또는 병렬로 접속하여 압력 용기에 수납됨으로써, 분리막 모듈로서 사용되어도 된다.
또한, 상기 분리막 엘리먼트, 분리막 모듈은, 그들에 유체를 공급하는 펌프나, 그 유체를 전처리하는 장치 등과 조합하여, 유체 분리 장치를 구성할 수 있다. 이 분리 장치를 사용함으로써, 예를 들어 공급수를 음료수 등의 투과수와 막을 투과하지 않은 농축수로 분리하여, 목적하는 물을 얻을 수 있다.
유체 분리 장치의 조작 압력은 높은 쪽이 제거율은 향상되지만, 운전에 필요한 에너지도 증가하고, 또한 분리막 엘리먼트의 공급 유로, 투과 유로의 유지성을 고려하면, 분리막 모듈에 공급수를 투과할 때의 조작 압력은, 0.2MPa 이상 5MPa 이하가 바람직하다.
공급수 온도는, 높아지면 염 제거율이 저하되지만, 낮아짐에 따라서 막 투과 유속도 감소되므로, 5℃ 이상 45℃ 이하가 바람직하다.
또한, 원수의 pH가 중성 영역에 있을 경우, 원수가 해수 등의 고염농도의 액체여도, 마그네슘 등의 스케일의 발생이 억제되고, 또한 막의 열화도 억제된다.
(공급수)
본 실시 형태의 분리막 엘리먼트에의 공급수는 특별히 한정되지 않고, 미리 처리된 수돗물이어도 되고, 해수나 함수와 같이 용액 중의 불순물이 많은 것이어도 된다. 예를 들어, 수 처리에 사용하는 경우, 원수(공급수)로서는, 해수, 함수, 배수 등의 500mg/L 이상 100g/L 이하의 TDS(Total Dissolved Solids: 총 용해 고형분)를 함유하는 액상 혼합물을 들 수 있다. 일반적으로 TDS는 총 용해 고형분량을 가리키고, 「질량÷체적」으로 표시되지만, 1L을 1kg으로 간주하여 「중량비」로 표시되는 경우도 있다. 정의에 의하면, 0.45㎛의 필터로 여과한 용액을 39.5 내지 40.5℃의 온도에서 증발시켜 잔류물의 무게로부터 산출할 수 있지만, 보다 간편하게는 실용 염분(S)으로부터 환산한다.
분리막 엘리먼트에 있어서의, 분리막면 크로스 플로우 유속이 10cm/sec 이하의 낮은 영역에서 운전하는 경우, 일반적으로는 섬유상물의 전후에 정체 개소가 발생하고, 막면 농도 분극이 증대되는 것에 의한 조수량·탈염율의 저하나 스케일링·파울링의 원인이 된다. 공급측 유로 면적률이 45 내지 65％의 범위인 공급측 유로재를 구비하는 분리막 엘리먼트는, 섬유상물의 전후에 형성되는 정체 개소가 적기 때문에, 조수량이나 탈염율이 저하되기 어렵고, 스케일링이나 파울링이 발생하기 어렵다는 특징이 있다. 예를 들어, 복수개의 엘리먼트를 장전하는 베셀의 후단에는, 전단에서 투과수가 인발되기 때문에, 분리막면 크로스 플로우 유속이 낮아지는 경우가 있어, 베셀의 후단에 본 발명의 분리막 엘리먼트를 사용하는 것이 적합하다.
본 발명의 공급측 유로재가 얇아질수록, 크로스 플로우 유속을 높일 수 있기 때문에, 스케일링이나 파울링 리스크를 저감시킬 수 있다.
실시예
이하에 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 전혀 아니다.
(교점부 및 중앙부의 실 직경 측정)
키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 네트 형상 샘플의 섬유상열에 평행한 종단면을 배율 20배로 관찰하고, 교점부 및 중앙부의 실 직경을 각각 확인하였다. 구체적으로는, 교점부에 대하여는 임의의 교점부의 중심부의 실 직경을 30군데, 중앙부에 대하여는 인접하는 2개의 교점부간의 중심점으로부터 각각 인접하는 교점을 향해서 20％까지의 범위의 임의의 30군데의 실 직경을 계측하고, 그 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로재의 두께)
키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 네트 형상 샘플의 섬유상열에 평행한 종단면을 배율 20배로 관찰하고, 임의의 교점 부분의 두께를 30군데 측정하여, 그 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로 면적률)
키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 공급측 유로재의 섬유상열에 평행한 종단면을 배율 20배로 관찰하고, 인접하는 2개의 교점부간 거리와 교점 두께(공급측 유로재 두께)를 각각 30군데 측정하여 그 평균값을 산출하였다. 인접하는 2개의 교점부간 거리에 교점 두께를 곱하여 종단면에 있어서의 인접하는 2개의 교점부간의 면적을 산출하였다.
이어서 종단면상의 화상 해석을 행하여 인접하는 2개의 교점부간에 형성되는 공간의 면적을 산출하였다. 화상 해석은 임의의 30군데에서 행하여, 그 평균값을 산출하였다. (종단면에 있어서의 공간의 평균 면적)/(종단면에 있어서의 인접하는 2개의 교점부간의 평균 면적)×100으로, 공급측 유로 면적률을 산출하였다.
(공급측 유로재의 공극 체적 v)
네트 형상 샘플을 30cm×30cm로 절출하여 그 중량을 계측하였다. 공급측 유로재의 두께에 절출 면적을 곱하여 총 체적을 산출하였다. 이어서, 절출한 네트 형상 샘플의 중량을 공급측 유로재 소재의 비중으로 제산하여 네트 형상 샘플 본체의 체적을 산출하고, 총 체적으로부터 네트 형상 샘플 본체의 체적을 감함으로써, 공급측 유로재의 공극 체적을 산출하였다.
(분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적 F)
스파이럴형 분리막 엘리먼트를 길이가 30cm인 통 형상이 되도록 절단한 후, 야마토 가가쿠 가부시키가이샤제 삼차원 계측 X선 CT 장치(TDM3000H-FP)에서 스파이럴형 분리막 엘리먼트를 X선 강도 100kV로 촬영하고, 분리막의 2개의 면 사이에 배치된 절출 면적 30cm×30cm당 네트 형상 샘플의 공급측 유로가 될 수 있는 부분의 체적(내부 체적)을 화상 해석에 의해 산출하였다.
(교점부 간격)
키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 네트 형상 샘플을 두께 방향 상부로부터 배율 20배로 관찰하고, 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 수직 방향의 교점부 간격과 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부 간격에 대하여, 임의의 교점부 간격을 30군데 측정하여, 그 평균값을 산출하였다.
(테이퍼율의 측정)
키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 네트 형상 샘플을 평면 방향으로부터 촬영하고, 파워 포인트를 사용하여 화상 상에 작도를 행하였다. 임의의 다각형 S의 대각끼리를 직선으로 연결하고, 교점 P1을 결정하였다. 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 4개의 교점을 B1 내지 B4로 하고, 선분 P1B1 내지 P1B4 중, 선과 섬유의 윤곽이 교차하는 점 중, P1과의 거리가 가장 커지는 점 Q1을 선택하고, 선분 P1Q1의 길이를 L1로 하였다. 교점 P1과 인접하는 임의의 교점 P2에 대하여, 교점 P1과 마찬가지의 작업을 행하여, 점 Q2를 결정하고, 선분 P2Q2의 길이를 L2로 하였다. L1 및 L2를 반경으로 하는 원 C1, C2를 작성하고, 교점 P1과 교점 P2를 연결하는 직선의 길이로부터 L1과 L2를 그은 직선의 길이를 L3으로 하였다. 선분 P1P2에 수직이면서 선분 P1P2를 통과하는 원 C1의 접선과 원 C2의 접선을 작성하고, 각각의 접선이 형성하는 실 직경을 D1 및 D2로 하였다. 키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100에 의해 얻어진 화상의 스케일 바를 기초로, L1 내지 L3, D1, D2의 길이를 계측하고, 하기 식에 기초하여 테이퍼율 T를 산출하였다. 이 조작을, 공급측 유로재의 표리면에 각각 15군데, 합계 30군데 측정하여, 그 평균값을 산출하였다.
(태경부의 측정)
섬유상물 A 혹은 섬유상물 B의 세경의 섬유로 구성되어 있는 것을 선택하고, 예를 들어 섬유상물 A를 선택하였을 때, 네트 형상 샘플을 액체 질소로 동결시켜, 섬유상물 A와 평행한 방향이면서 또한 섬유상물 A 근방에서 섬유상물 B를 커트하였다. 키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 네트 형상 샘플의 평면에 대하여 평행하면서 또한 임의의 섬유상물 A 또는 섬유상물 B에 수직인 방향으로부터 배율 20배로 관찰하고, 태경부 D3, D4의 실 직경을 확인하였다. 구체적으로는, 태경부는 임의의 태경부 D3, D4의 실 직경을 측정하고, 큰 쪽을 태경부로 하였다. 이 조작을 합계 30군데에 대하여 행하여, 그들의 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로재의 섬유의 단면 형상)
네트 형상 샘플을 액체 질소로 동결시켜, 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 커트하고, 키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 횡단면을 수직인 방향으로부터 관찰하고, 횡단면의 최대 직경 W1 및 당해 최대 직경 W1에 수직인 방향의 최대 직경 W2를 측정하였다. 임의의 섬유상물 A 및 의 섬유상물 B의 각각 15군데에 대하여 마찬가지의 조작을 반복하여, 그 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로재의 섬유의 경사각)
네트 형상 샘플을 액체 질소로 동결시켜, 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향으로 커트하고, 키엔스사제 고정밀도 형상 측정 시스템 KS-1100을 사용하여, 횡단면을 수직인 방향으로부터 관찰하고, 수선과 횡단면의 최대 직경 W1의 시계 방향으로 이루는 각을 측정하였다. 임의의 섬유상물 A 및 섬유상물 B의 각각 15군데에 대하여 마찬가지의 조작을 반복하여, 그 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로재의 단위 면적당 중량)
네트 형상 샘플을 1.0m×1.0m의 크기로 커트하고, 전자 천칭을 사용하여 10매의 중량을 측정하고, 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로재의 강연도)
공급측 유로재의 강연도는 JIS 규격 L1096(2010) 8.21(45° 캔틸레버법)을 기초로 측정하였다. 네트 형상 샘플을, 길이 방향에 수직인 방향 및 평행한 방향으로 20×150mm의 사이즈로 커트하고, 시험편으로 하였다. 시험편에 컬이 있을 경우에는, 시험편과 동일한 크기의 플라스틱편을 준비하여, 시험편 위에 얹고, 그 위에 200g의 추를 두어, 3시간 정치하였다. 그 후, 각각 5편씩을 수평대 상에서 일정 속도로 미끄러지게 하고, 45°의 경사면 고개에 시험편의 선단이 접하였을 때의 이동 거리를 정규로 측정한 값의 평균값을 산출하였다.
(공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율)
공급측 유로재로서의 폴리프로필렌제 네트와 분리막의 사이에 감압지(후지 필름 가부시키가이샤제 투시트 타입 형식 PSC-LLLW 프리스케일 극초저압용)를 끼워 넣어 분리막 엘리먼트 제작하고, 그 후 분리막을 해체하여 감압지를 회수하였다. 감압지의 발색된 부분을 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 부분으로 하고, 화상 해석에 의해 절출 면적 5cm×5cm당 공급측 유로재의 분리막에의 접촉 면적 비율을 산출하였다.
<실시예>
(공급측 유로재 P의 제작)
폴리프로필렌을 재료로 하여, 다수의 작은 구멍을 배치한 내측과 외측의 2개의 구금을 역방향으로 회전시키면서, 압출기로부터 용융시킨 수지를 높은 토출압으로 공급하고, 망상 구조를 갖는 통 형상 네트를 성형하였다. 또한 통 형상의 네트 수지가 완전히 냉각 고화되기 전에 통 형상 네트의 내측에, 통 형상 네트의 내경보다 직경이 큰 지그를 통과시켜, 폭 방향 및 길이 방향으로 동시에 인장을 가하면서 냉각 고화시키는 방법에 의해, 교점부에서 중앙부에 걸쳐 완만하게 섬유상물의 실 직경이 가늘어지는 형상의, 표 1 내지 표 5에 나타내는 공급측 유로재를 제작하였다. 또한, 압출기로부터의 용융 수지 토출압, 통 형상 네트를 통과시키는 지그의 치수, 인취 속도를 변경하고, 최종적으로 표 1 내지 표 5의 공급측 유로재 형상이 되도록 구조 제어를 행하였다.
(스파이럴형 분리막 엘리먼트의 제작)
폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 포함하는 부직포(섬도: 1 데시텍스, 두께: 약 90㎛, 통기도: 1cc/cm2/sec, 밀도 0.80g/cm3) 상에 폴리술폰의 16.0질량％의 DMF 용액을 180㎛의 두께로 실온(25℃)에서 캐스트하고, 곧 순수 중에 침지하여 5분간 방치하고, 80℃의 온수에서 1분간 침지시킴으로써 섬유 보강 폴리술폰 지지막을 포함하는, 다공성 지지층(두께 130㎛) 롤을 제작하였다.
그 후, 다공성 지지막의 폴리술폰을 포함하는 층의 표면을 m-PDA의 1.5질량％ 및 ε-카프로락탐 1.0중량％를 포함하는 수용액 중에 2분간 침지시키고 나서, 수직 방향으로 천천히 인상하였다. 또한, 에어 노즐로부터 질소를 분사함으로써, 지지막 표면으로부터 여분의 수용액을 제거하였다.
그 후, 트리메스산클로라이드 0.08질량％를 포함하는 n-데칸 용액을, 막의 표면이 완전히 젖게 도포하고 나서, 1분간 정치하였다. 그 후, 막으로부터 여분의 용액을 에어 블로우로 제거하고, 80℃의 열수로 1분간 세정하여, 복합 분리막 롤을 얻었다.
이렇게 얻어진 분리막을, 분리막 엘리먼트에서의 유효 면적이 2.6m2가 되게 절첩하여 재단 가공하고, 표 1에 나타내는 폴리프로필렌제 네트(두께: 0.6mm)를 공급수측 유로재로서 끼워 넣어 분리막 리프를 제작하였다.
얻어진 분리막 리프의 투과 측면에 투과측 유로재로서 표 1에 나타내는 트리코트(두께: 0.26mm)를 적층하고, 리프 접착제를 도포하여, PVC(폴리염화비닐)제 집수관(폭: 1016mm, 직경: 19mm, 구멍수 23개×직선상 1열)에 스파이럴상으로 감고, 권위체의 외주면을 테이프로 고정 후, 양단의 에지 커트와 단부판 설치를 행하고, 한쪽의 측면에서 공급수가 공급되어 농축수가 배출되는, 직경이 2.5인치인 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
(조수량)
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 공급수로서 농도 200ppm의 식염수, pH 6.5의 NaCl 수용액을 사용하여, 운전 압력 0.5MPa, 온도 25℃의 조건 하에서 30분간 운전한 후에 1분간의 샘플링을 행하고, 1일당 투수량(갤런)을 조수량(GPD(갤런/일）)으로서 나타내었다. 또한, 회수율은 8％로 하였다.
(제거율(TDS 제거율))
조수량의 측정에 있어서의 1분간의 운전에서 사용한 공급수 및 샘플링한 투과수에 대하여, TDS 농도를 전도율 측정에 의해 구하고, 하기 식으로부터 TDS 제거율을 산출하였다.
TDS 제거율％=100×{1-(투과수 중의 TDS 농도/공급수 중의 TDS 농도)}
(엘리먼트 차압)
분리막 엘리먼트를 장전하는 원통 형상 압력 용기의 상류측(공급수측)과 하류측(농축수측)을 나가노 게이키제 차압계(형식 DG16)를 통해 배관으로 접속하고, 운전 중의 엘리먼트 차압을 계측하였다. 운전 조건은 공급수 유량은 9L/분, 운전 압력은 1.0MPa로 하고, 공급수에는 역침투막 처리수를 사용하였다. 또한, 엘리먼트 내부의 기포가 빠진 후에는 투과수 배관의 콕을 닫고, 실질적으로 막 여과를 행할 수 없는 상태, 즉 공급수가 전체량 농축수로서 배출되는 상태에서 운전을 행하여 엘리먼트 차압(kPa)의 측정을 행하였다.
(분리막 표면에의 스케일 부착 비율)
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 공급수로서, 1150ppm의 CaCl2·2H2O, 660ppm의 NaHCO3, pH 7의 수용액을 사용하고, 운전 압력 0.5MPa, 온도 25℃의 조건 하에서 24시간 운전하였다. 또한, 회수율은 50％로 하였다. 그 후, 분리막 엘리먼트를 해체하여 분리막 엘리먼트의 길이 방향의 하류측(농축수측)의 유효 막 부분을 5cm×5cm로 절출하고, 절출한 분리막을 건조 후, 분리막의 두께 방향 상부로부터 마이크로스코프에 의해 관찰하고, 막면에 석출된 스케일의 분리막 표면에의 부착 면적 비율을 산출하였다.
(발정(發停) 운전)
제작한 분리막 엘리먼트에 대하여, 공급수로서 농도 200ppm의 식염수, pH 6.5의 NaCl 수용액을 사용하고, 운전 압력 0.5MPa, 온도 25℃의 조건 하에서 1분간×100회 통수하였다. 그 후, 1분간의 샘플링을 행하고, 1분간의 운전에서 사용한 공급수 및 샘플링한 투과수에 대하여, TDS 농도를 전도율 측정에 의해 구하고, 하기 식으로부터 TDS 제거율을 산출하였다.
TDS 제거율％=100×{1-(투과수 중의 TDS 농도/공급수 중의 TDS 농도)}
이 때의 제거율을 발정 후 제거율로 하였다.
(실시예 1)
제작한 공급측 유로재에 대하여 평가 셀을 사용하고, 또한 분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 상술한 조건에서 평가한 바, 결과는 표 1과 같았다.
(실시예 2 내지 5, 7 내지 27)
공급측 유로재를 표 1 내지 4와 같이 한 것 이외에는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 실시예 1과 동일한 조건에서 각 성능을 평가한 바, 결과는 표 1 내지 4와 같았다.
(실시예 6)
투과측 유로재를 표 1과 같이 한 것 이외에는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 실시예 1과 동일한 조건에서 각 성능을 평가한 바, 결과는 표 1과 같았다.
<비교예>
(공급측 유로재 Q의 제작)
폴리프로필렌을 재료로 하여, 다수의 구멍을 배치한 내측과 외측의 2개의 구금을 역방향으로 회전시키면서, 압출기로부터 용융시킨 수지를 공급하고, 망상 구조를 갖는 통 형상 네트를 성형하여, 섬유 형상이 곧은 형인 네트를 제조하였다. 또한, 압출기로부터의 용융 수지 토출압, 인취 속도를 변경하고, 최종적으로 표 4, 5의 공급측 유로재 형상이 되도록 구조 제어를 행하였다.
(공급측 유로재 R의 제작)
폴리프로필렌을 재료로 하여, 공급측 유로재 Q와 마찬가지의 수순으로 제작한 통 형상의 네트를 일단 냉각 고화시키고, 그 후, 가열로 내에서 세로 연신 이어서 가로 연신을 축차로 행하고, 교점부에 대하여 중앙부의 섬유상물의 실 직경이 네킹된 형상의 네트를 제조하였다. 또한, 압출기로부터의 용융 수지 토출압, 세로 및 가로의 연신 배율, 인취 속도를 변경하고, 최종적으로 표 5의 공급측 유로재 형상이 되도록 구조 제어를 행하였다.
(비교예 1 내지 8)
공급측 유로재를 표 4 내지 5와 같이 한 것 이외에는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여, 분리막 엘리먼트를 제작하였다.
분리막 엘리먼트를 압력 용기에 넣고, 상술한 조건에서 각 성능을 평가한 바, 결과는 표 4, 5와 같았다.
표 1 내지 4에 나타내는 결과에서 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 27의 분리막 엘리먼트는, 공급수의 유동을 저해하지 않고 우수한 분리 성능을 안정되게 구비하고 있다고 할 수 있다.
한편, 비교예 1, 2에서는 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 수직 방향 및 평행 방향의 교점부 간격은 실시예 1, 2와 마찬가지이지만, 중앙부의 실 직경이 굵기 때문에 공급측 유로 면적률이 낮고, 엘리먼트 차압이 높아지고, 엘리먼트 조수량과 제거율의 저하가 발생하였다.
비교예 3에서는 중앙부의 실 직경이 굵고, 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 수직 방향 및 평행 방향의 교점부 간격이 넓은 점에서, 엘리먼트 제작 시에 분리막 본체가 네트 공극 부분에 빠져, 공급수 유입 단부면 부분의 유로의 안정 형성이 불충분하였기 때문에, 엘리먼트 차압이 높아지고, 엘리먼트 조수량과 제거율의 저하가 발생하였다.
또한, 비교예 1 내지 3에서는, 섬유 형상·측면 형상이 곧은 형이고, 막면과 섬유의 접촉 면적이 많으며, 공급측 유로 면적률이 낮기 때문에, 유동 저항이 크고, 엘리먼트 차압이 높아지며, 엘리먼트 조수량과 제거율의 저하가 발생하였다.
또한, 비교예 1 내지 3의 공급측 유로재는 분리막에의 접촉 면적 비율이 높고, 분리막 표면의 공급수 체류 부위가 많은 점에서 운전 시의 배탁성이 낮고, 분리막 표면에 스케일이 많이 부착되었다.
비교예 4, 5에서는, 섬유 형상이 네킹이며, 강연도가 작기 때문에, 발정 운전을 행하면 네트의 어긋남이 발생하기 쉽고, 발정 후 제거율의 저하가 발생하였다.
또한, 비교예 4, 5는 공급측 유로 면적률이 너무 높기 때문에, 공급측 유로재의 교점간에서 막 빠짐이 발생하고, 엘리먼트 차압이 높아지고, 엘리먼트 조수량과 제거율의 저하가 발생하였다.
또한, 비교예 6은, 테이퍼와 공급측 유로 면적률이 동등하지만, 네킹 형상이기 때문에, 유로의 급확대·급축소에 의해, 에너지 손실이 발생하고, 엘리먼트 차압이 높아지며, 엘리먼트 조수량과 제거율의 저하가 발생하였다.
또한, 비교예 7, 8은 섬유 형상이 테이퍼이지만, 공급측 유로 면적률이 너무 낮기 때문에, 엘리먼트 차압이 높아지고, 엘리먼트 조수량과 제거율의 저하가 발생하였다.
본 발명의 막 엘리먼트는, 특히 RO 정수기로서의 이용이나, 함수나 해수의 탈염에 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명을 특정한 양태를 사용하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 의도와 범위를 벗어나지 않고 각종 변경 및 변형이 가능한 것은, 당업자에 있어서 명확하다. 또한, 본 출원은 2019년 8월 30일자로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2019-157773호), 2019년 12월 23일자로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2019-231577호) 및 2020년 5월 29일자로 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2020-094335호)에 기초하고 있으며, 그 전체가 인용에 의해 원용된다.
1: 스파이럴형 분리막 엘리먼트
2: 공급측 유로재
2a 내지 2e: 공급측 유로재
21: 섬유상물 A
22: 섬유상물 B
3: 분리막
4: 투과측 유로재
5: 봉투상막
6: 집수관
7: 공급수
8: 투과수
9: 농축수
c: 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 수직 방향의 교점부 간격
d: 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부 간격
w: 물갈퀴부
A1: 섬유상열에 평행한 종단면에 있어서의 공간의 면적
A2: 섬유상열에 평행한 종단면에 있어서의 인접하는 2개의 교점부간의 면적
P: 교점부
P0: 교점부간의 중심점
P1: 임의의 섬유의 교점
P2: P1과 인접하는 교점
B1: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
B2: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
B3: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
B4: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
Q1: P1과 인접하는 4개의 대각을 연결하고, 대각선과 수지의 윤곽이 교차하는 점과 P1의 거리가 가장 커지는 점
Q2: P2와 인접하는 4개의 대각을 연결하고, 대각선과 수지의 윤곽이 교차하는 점과 P2의 거리가 가장 커지는 점
L1 인접하는 2개의 교점부간 거리(선분 P1Q1의 길이)
L2: 인접하는 2개의 교점부간 거리(선분 P2Q2의 길이)
L3: 선분 P1P2로부터 L1과 L2를 그은 길이
L4: 교점부의 두께
L5: 중앙부의 평균 두께
R1: 측면에서 관찰하였을 때의 교점부간 거리
R2: 교점부간에 있어서의 중앙부
C1: L1을 반경으로 하는 원
C2: L2를 반경으로 하는 원
D1: P1P2에 수직이면서 C1의 접선을 통과하는 섬유 직경
D2: P1P2에 수직이면서 C2의 접선을 통과하는 섬유 직경
D3: 태경부(섬유상물 B의 단면의 접선이 섬유상물 A를 통과하는 선분)
D4: 태경부(섬유상물 B'의 단면의 접선이 섬유상물 A를 통과하는 선분)
W1: 섬유의 횡단면의 최대 직경
W2: W1에 수직인 방향의 최대 직경
2: 공급측 유로재
2a 내지 2e: 공급측 유로재
21: 섬유상물 A
22: 섬유상물 B
3: 분리막
4: 투과측 유로재
5: 봉투상막
6: 집수관
7: 공급수
8: 투과수
9: 농축수
c: 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 수직 방향의 교점부 간격
d: 공급측 유로재의 공급수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부 간격
w: 물갈퀴부
A1: 섬유상열에 평행한 종단면에 있어서의 공간의 면적
A2: 섬유상열에 평행한 종단면에 있어서의 인접하는 2개의 교점부간의 면적
P: 교점부
P0: 교점부간의 중심점
P1: 임의의 섬유의 교점
P2: P1과 인접하는 교점
B1: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
B2: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
B3: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
B4: 교점 P1을 결정하는 직선의 연장선 상이면서 교점 P1에 가장 가까운 교점의 하나
Q1: P1과 인접하는 4개의 대각을 연결하고, 대각선과 수지의 윤곽이 교차하는 점과 P1의 거리가 가장 커지는 점
Q2: P2와 인접하는 4개의 대각을 연결하고, 대각선과 수지의 윤곽이 교차하는 점과 P2의 거리가 가장 커지는 점
L1 인접하는 2개의 교점부간 거리(선분 P1Q1의 길이)
L2: 인접하는 2개의 교점부간 거리(선분 P2Q2의 길이)
L3: 선분 P1P2로부터 L1과 L2를 그은 길이
L4: 교점부의 두께
L5: 중앙부의 평균 두께
R1: 측면에서 관찰하였을 때의 교점부간 거리
R2: 교점부간에 있어서의 중앙부
C1: L1을 반경으로 하는 원
C2: L2를 반경으로 하는 원
D1: P1P2에 수직이면서 C1의 접선을 통과하는 섬유 직경
D2: P1P2에 수직이면서 C2의 접선을 통과하는 섬유 직경
D3: 태경부(섬유상물 B의 단면의 접선이 섬유상물 A를 통과하는 선분)
D4: 태경부(섬유상물 B'의 단면의 접선이 섬유상물 A를 통과하는 선분)
W1: 섬유의 횡단면의 최대 직경
W2: W1에 수직인 방향의 최대 직경
Claims (10)
- 적어도 집수관과, 분리막과, 공급측 유로재와, 투과측 유로재를 구비하는 분리막 엘리먼트이며,
상기 공급측 유로재는, 상기 분리막의 2개의 면 사이에 배치되어 공급측 유로를 형성하고 있으며,
상기 공급측 유로재는, 일 방향으로 배열된, 섬유상물 A로 구성되는 복수의 섬유상열 X, 및 상기 섬유상열 X와는 다른 방향으로 배열된, 섬유상물 B로 구성되는 복수의 섬유상열 Y가 서로 입체 교차하여 교점을 형성한 네트 형상이며,
상기 섬유상물 A 및 상기 섬유상물 B 중 적어도 한쪽은, 길이 방향을 따라서 태경부와 세경부를 갖고,
상기 섬유상물 A 및 상기 섬유상물 B 중 적어도 한쪽은, 임의의 섬유상열을 포함하는, 당해 임의의 섬유상열의 길이 방향에 따른 종단면에 있어서, 상기 섬유상열 X 및 상기 섬유상열 Y의 교점부간에 있어서의 중앙부가 상기 태경부에 비해 세경의 실로 구성되어 있고,
공급측 유로 면적률이 45 내지 65％이며, 또한
상기 공급측 유로재의 평면으로부터 두께 방향으로 관찰하였을 때, 임의의 교점과 인접하는 교점간의 섬유가 한쪽으로부터 다른 쪽을 향해 테이퍼상으로 확경되어 있는 테이퍼상 섬유인 분리막 엘리먼트. - 제1항에 있어서, 상기 테이퍼상 섬유의 테이퍼율이 1/20 내지 1/3의 범위인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테이퍼상 섬유가 원수측으로부터 농축수측을 향해 끝이 가늘어진 형상인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급측 유로재의 강연도(m)가 0.07m 이상 0.14m 이하인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급측 유로재는, 상기 공급측 유로재의 두께와 면적의 곱으로 표시되는 총 체적 V에 대한 공극 체적 v의 비율이 90 내지 97％의 범위인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급측 유로재의 공극 체적 v에 대한 상기 분리막 엘리먼트의 공급측 유로 체적 F의 비율이 90％ 이상인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급측 유로재의 원수 흐름 방향에 대하여 수직 방향의 교점부의 간격이 3 내지 5mm의 범위인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급측 유로재의 원수 흐름 방향에 대하여 평행 방향의 교점부의 간격이 4 내지 8mm의 범위인 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급측 유로재가, 상기 공급측 유로재의 임의의 섬유상물의 길이 방향에 대하여 수직인 방향의 횡단면 Z에 있어서, 상기 임의의 섬유상물의 최대 직경 W1과 상기 최대 직경 W1에 대하여 수직인 방향의 최대 직경 W2가, 1.2<W1/W2<3.0의 관계를 충족시키는 분리막 엘리먼트.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과측 유로재가 환편 트리코트인 분리막 엘리먼트.
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