WO2020080428A1 - 分離膜モジュール及びその運転方法 - Google Patents

分離膜モジュール及びその運転方法 Download PDF

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WO2020080428A1
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WO
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separation membrane
seal member
pressure vessel
longitudinal direction
membrane module
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PCT/JP2019/040726
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English (en)
French (fr)
Inventor
祐一 菅原
卓朗 獅山
谷口　雅英
寛生 高畠
Original Assignee
東レ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • B01D63/12—Spiral-wound membrane modules comprising multiple spiral-wound assemblies

Definitions

  • the present invention relates to a separation membrane module and a method of operating the same.
  • reverse osmosis membranes such as reverse osmosis membranes, nanofiltration membranes, ultrafiltration membranes or microfiltration membranes
  • the reverse osmosis separation method using reverse osmosis membranes is seawater. It is widely applied to desalination of kettle water, production of ultrapure water, and concentration and recovery of valuable materials.
  • a common problem in fluid separation using a separation membrane is fouling, in which impurities contained in the fluid to be treated are adsorbed or deposited on the surface of the separation membrane and deteriorate the performance of the separation membrane.
  • the separation membrane with fouling can be recovered by cleaning with a chemical solution, but its treatment involves many problems such as a decrease in operating rate due to suspension of fluid separation operation and deterioration of the separation membrane due to the influence of chemical solution. It is accompanied.
  • the flat membrane type separation membrane is generally used in the form of a spiral type separation membrane element in which the separation membrane is surrounded by a central tube having a hole. It is known that rings are likely to occur.
  • the spiral separation membrane elements are often used by connecting a plurality of them in series. In particular, when the fluid to be treated is seawater, fouling occurs remarkably in the first-stage spiral separation membrane element having a low osmotic pressure and a high permeation flux.
  • Patent Documents 1 to 3 In order to suppress this telescope, there is a technique of temporarily switching the flow direction of the fluid to be processed in the spiral separation membrane element to the opposite side to flush the substance deposited on the surface of the separation membrane.
  • an object of the present invention is to provide a separation membrane module capable of effectively suppressing a telescope of a separation membrane element that is a constituent element of the separation membrane module without increasing the frequency of cleaning with a chemical solution.
  • a plurality of separation membrane elements having a central tube, a separation membrane wrapped around the central tube, and telescope prevention plates provided at both ends in the longitudinal direction of the central tube.
  • a cylindrical pressure vessel and at least one seal member, the seal member closing a part of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element, and the seal member The obstruction rate of the gap when observed from the longitudinal direction of the container is 60% or less in at least one seal member, and the longitudinal direction of the pressure vessel and the longitudinal direction of the separation membrane element are made to coincide with each other,
  • the separation membrane module wherein the separation membrane element is inserted into the pressure vessel and connected in series.
  • a plurality of central tubes, a separation membrane wound around the central tube, and a plurality of telescope prevention plates provided at both ends in the longitudinal direction of the central tube are provided.
  • the sealing member is inserted into the pressure vessel and connected in series, and the difference between the minimum inner diameter of the pressure vessel and the maximum outer diameter of the separation membrane element is 0.1 to 1.8 mm, and the sealing member is Occludes a part of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element, and the sealing rate of the gap when observing the seal member from the longitudinal direction of the pressure vessel is at least one seal member.
  • S1 n a communication channel formed in the telescope prevention plate for communicating the gap between the pressure vessel and the separation membrane element and the inside of the separation membrane element in the longitudinal direction of the pressure vessel.
  • a separation membrane module in which the total value of S1 n and S2 n is 1800 mm 2 or more when the minimum area is S2 n when observed from a direction perpendicular to the above.
  • the space or the like existing between the pressure vessel and the separation membrane element serves as a bypass flow passage, and suppresses the occurrence of the telescope even when the pressure loss of the separation membrane element increases. It becomes possible.
  • FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing one embodiment of a separation membrane element included in the separation membrane module of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of an embodiment of the separation membrane module of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view showing an example of an embodiment of the separation membrane module of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing an example of the shape of the through hole or the communication groove provided in the seal member.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an aspect of a telescope prevention plate constituting a separation membrane element included in the separation membrane module of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view showing an example of an embodiment of the separation membrane module of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing an example of an embodiment of the separation membrane module of the present invention.
  • FIG. 8 (a) and 8 (b) are schematic views showing aspects of the telescope prevention plate and the spacer which are included in the separation membrane module of the present invention and which constitute the separation membrane element.
  • FIG. 9 is a schematic view showing an example in which a C-type split ring seal is used as the seal member.
  • FIG. 10 is a schematic view showing an example of the shape of the through hole or the communication groove provided in the seal member.
  • 11A to 11C are schematic views showing an example of the shape of the through hole or the communication groove provided in the seal member.
  • the separation membrane module of the present invention comprises a plurality of separation membrane elements having a central tube, a separation membrane wound around the central tube, and telescope prevention plates provided at both ends in the longitudinal direction of the central tube, and a cylindrical shape.
  • Pressure vessel and at least one seal member are provided at both ends in the longitudinal direction of the central tube, and a cylindrical shape.
  • FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an example of an embodiment of the separation membrane element included in the separation membrane module of the present invention.
  • a separation membrane 21 is wound around a perforated central tube 24, and the outer surface of the winding body is covered with an exterior material (not shown).
  • Telescope prevention plates 25 are provided at both ends in the longitudinal direction of the winding body for the purpose of preventing telescope.
  • a peripheral groove 251 is formed on the outer peripheral surface of the telescope prevention plate 25 for fitting and fixing a seal member described later.
  • the material of the perforated central tube that constitutes the separation membrane element may be, for example, resin or metal, but from the viewpoint of cost and durability, resin such as Noryl resin or ABS resin is preferable.
  • Examples of the separation membrane constituting the separation membrane element include a reverse osmosis membrane, an ultrafiltration membrane, a microfiltration membrane, a gas separation membrane or a degassing membrane.
  • the outer surface of the winding body that constitutes the separation membrane element may be covered with an exterior material.
  • the exterior material include a polyester, polypropylene, polyethylene, or polyvinyl chloride film, or a glass fiber sheet coated with a curable resin.
  • the material of the telescope prevention plate that constitutes the separation membrane element may be, for example, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or a heat resistant resin.
  • the outer peripheral annular member and the inner peripheral annular member are joined by a plurality of spoke-shaped members in order to efficiently supply the supply fluid into the separation membrane element while maintaining the strength.
  • the spoke structure is preferred.
  • the separation membrane element 20 is supplied with a fluid to be treated, that is, a supply fluid 26 from one end in the longitudinal direction. Inside the separation membrane element 20, a part of the supply fluid 26 permeates the separation membrane 21, is collected from the hole of the central tube into the inside of the central tube, and is collected as the permeated fluid 27 from the other end of the separation membrane element 20. The concentrated fluid 28 that has not passed through the separation membrane 21 is also discharged from the other end of the separation membrane element 20.
  • a part of the end portion of the separation membrane 21 is sealed so that the supply fluid 26 and the permeation fluid 27 do not mix with each other.
  • means for sealing the ends of the separation membrane include a bonding method, and examples of the adhesive used in the bonding method include a urethane-based adhesive, an epoxy-based adhesive, and hot melt adhesion.
  • a supply-side channel member 23 and a permeate-side channel member 22 for forming a fluid channel may be disposed between the surfaces of the opposing separation membranes, as shown in FIG.
  • Examples of the channel material on the supply side and the channel material on the permeate side include a net-shaped member, a mesh-shaped member, a grooved sheet or a corrugated sheet.
  • the longitudinal direction of the cylindrical pressure vessel and the longitudinal direction of the separation membrane element are aligned, and a plurality of separation membrane elements are inserted into the pressure vessel, and are connected in series Needs to be connected.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the separation membrane module of the present invention.
  • the longitudinal direction of the cylindrical pressure vessel 46 and the longitudinal directions of the separation membrane elements 39a to 39f are aligned so that the six separation membrane elements (39a, 39b, 39c, 39d). , 39e, 39f) are inserted into the pressure vessel and are connected in series.
  • "connected in series” means that the central tube of one separation membrane element and the central tube of another adjacent (one) separation membrane element are connected, and the central tube of one separation membrane element is This is a mode in which all the permeated fluid that has flowed out flows into the central tube of another (one) adjacent separation membrane element.
  • the central tubes of the separation membrane elements 39a to 39f are connected to each other by the central tube connector 41, so that the six separation membrane elements 39a to 39f are connected in series. Further, one of the central tubes of the separation membrane element 39a and the separation membrane element 39f located at both ends of the separation membrane module 47 is connected to the permeated fluid outlets 43a and 43b, respectively.
  • the supply fluid is supplied to the end of the separation membrane element 39a via the supply fluid supply port 38.
  • the concentrated fluid separated by the separation membrane element 39a is supplied to the separation membrane element 39b. After that, the concentrated fluid is sequentially supplied to the separation membrane elements 39c, 39d, 39e and 39f and separated, and then discharged from the concentrated fluid discharge port 40.
  • the difference between the minimum inner diameter of the pressure vessel and the maximum outer diameter of the separation membrane element is preferably 0.1 to 1.8 mm.
  • the gap functions as a bypass flow passage. For example, even if the flow resistance inside the separation membrane element is increased due to the occurrence of fouling and the flow resistance is increased, a part of the supply fluid is allowed to escape to this bypass flow path, so that the telescope of the separation membrane element is removed. It becomes possible to deter.
  • the difference between the minimum inner diameter of the pressure vessel and the maximum outer diameter of the separation membrane element is less than 0.1 mm, it becomes difficult not only to insert the separation membrane element into the pressure vessel but also to separate the pressure vessel and the separation membrane element. Gap does not function as a bypass flow path. On the other hand, if the above difference exceeds 1.8 mm, the amount of the supply fluid supplied to the separation membrane element may be excessively reduced. Furthermore, when the separation membrane module is installed in the horizontal direction, for example, the seal member located under the separation membrane element is crushed by gravity, and the flow of the supply fluid that escapes to the bypass flow path becomes uneven. As a result, the separation performance of the separation membrane module deteriorates.
  • the difference between the minimum inner diameter of the pressure vessel and the maximum outer diameter of the separation membrane element is preferably 0.5 to 1.5 mm, more preferably 0.5 to 1.0 mm.
  • the minimum inner diameter of the pressure vessel and the maximum outer diameter of the separation membrane element can be measured using a caliper or the like.
  • the maximum outer diameters differ among a plurality of separation membrane elements, the value of the largest maximum outer diameter is used as the “maximum outer diameter of the separation membrane element” to calculate the difference.
  • Telescope is most likely to generate the most supply fluid, and the separation membrane element that is closest to the supply fluid supply port side (in the longitudinal direction of the pressure vessel) occupies the total flow rate of the supply fluid and escapes to the bypass flow path.
  • the ratio of the flow rate of the different fluid is preferably 10 to 60%, more preferably 20 to 50%.
  • a gap is not provided between the telescopic prevention plates between the separation membrane element and another adjacent separation membrane element, and the separation membrane elements are in contact with each other,
  • the telescope prevention plates of the separation membrane element are in close contact with each other, not only is it difficult for the fluid once escaped to the bypass channel to be supplied to the inside of the separation membrane element again, It becomes difficult to suppress the pressure loss within an appropriate range. Therefore, in such a case, for example, as shown in FIG. 5, it is necessary to provide the telescopic prevention plate 25 with communication channels 64a to 64n for communicating the bypass channel with the inside of the separation membrane element.
  • the seal member closes a part of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element, and the gap when the seal member is observed from the longitudinal direction of the pressure vessel. It is necessary that the blockage rate of the above is 60% or less in at least one seal member. When the blockage rate is 60% or less, the ratio of the fluid that escapes to the bypass flow path with respect to the total flow rate of the supply fluid becomes a suitable ratio. A greater effect is obtained when the blocking rate is more preferably less than 40%, and further preferably less than 30%.
  • seal members 45a1 to 45f1 and seal members 45a2 to 45f2 are provided in the space between the telescope prevention plates provided at both ends of the separation membrane elements 39a to 39f and the pressure vessel. It is blocked.
  • the seal member regulates the gap between the pressure container and the separation membrane element, that is, the amount of the supply fluid that escapes to the bypass passage by appropriately closing the bypass passage, and prevents the separation efficiency of the entire separation membrane module from being excessively lowered. Play a role in prevention.
  • the seal member may be, for example, a known U-coupling seal, V-coupling seal, O-ring seal or split ring seal.
  • the split ring seal has a shape in which an annular member is cut at one or more places.
  • the radial cut surface of the annular split ring seal is preferably rectangular so that the pressure vessel and the separation membrane element have a symmetrical shape to close the gap.
  • the material of the seal member is not particularly limited as long as it has durability against the supplied fluid.
  • An elastic material is preferable as a material for the U-coupling seal, the V-coupling seal, or the O-ring seal, and a non-elastic material is preferable as a material for the split ring seal.
  • Examples of the elastic material include rubber such as nitrile rubber, styrene rubber, silicone rubber, fluororubber, acrylic rubber, ethylene propylene rubber or urethane rubber.
  • Examples of the method for crosslinking these rubbers include vulcanization using sulfur as a vulcanizing agent, or a crosslinking reaction using peroxide, but in order to further increase the durability of rubber that is an elastic material, A crosslinking reaction using oxide is preferable.
  • non-elastic material examples include resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene or polypropylene, metals such as iron, stainless steel, copper, aluminum or titanium or alloys thereof, ceramics, graphite, asbestos or FRP.
  • resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene or polypropylene, metals such as iron, stainless steel, copper, aluminum or titanium or alloys thereof, ceramics, graphite, asbestos or FRP.
  • resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene or polypropylene, metals such as iron, stainless steel, copper, aluminum or titanium or alloys thereof, ceramics, graphite, asbestos or FRP.
  • the blockage rate of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element needs to be 60% or less in at least one seal member.
  • the blocking rate is 60% or less, the gap between the pressure vessel and the separation membrane element can be fully utilized as a bypass flow path.
  • a greater effect is obtained when the blocking rate is more preferably less than 40%, and further preferably less than 30%.
  • the blockage rate of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element As for the blockage rate of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element, a photograph of the pressure vessel, the separation membrane element and the sealing member is taken from the longitudinal direction of the pressure vessel, and the area H1 of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element is taken from the image. , And the total area H2 of the part closed by the gap, and by dividing H2 by H1 and expressing it as a percentage, it can be calculated. In addition, when the value of H1 or H2 determined by observing from one side in the longitudinal direction of the pressure vessel and the value of H1 or H2 determined by observing from the other side in the longitudinal direction of the pressure vessel are different, each average The value can be used to calculate the occlusion rate.
  • a through hole 61a or 61b is provided in a part of the seal member so as to penetrate the seal member in the longitudinal direction of the pressure vessel.
  • a method of providing a communication groove 62a or 62b on the outer surface of the seal member or the inner surface of the pressure vessel for allowing a part of the supply fluid to escape to the bypass flow path can be used.
  • the shape of the through hole or the communication groove provided in a part of the seal member is not particularly limited, and various shapes such as a split ring seal shown in FIG. 4 can be given as an example.
  • the seal member is an O-ring seal or the like made of an elastic material in order to configure the separation membrane module so that a larger amount of the supply fluid flows into the bypass passage 60 as the flow resistance inside the separation membrane element increases.
  • the shape of the through hole is a star-shaped polygon or a slit that can be flexibly deformed, or that a part of the seal member is thin.
  • the obstruction rate of the gap between the pressure vessel and the separation membrane element when the seal member is observed in the longitudinal direction of the pressure vessel may be 60% or less at at least one seal member site, but the pressure vessel is sealed.
  • the closing rate is preferably 60% or less on at least one side (supply fluid supply port side) of the seal members positioned at both ends in the longitudinal direction of the pressure vessel, and the sites of other seal members.
  • the gap may be in a completely closed state (closed rate 100%).
  • the through hole or the communication groove of the seal member has the telescope prevention plate and the pressure vessel. It is preferable that the through hole or the communication groove is formed in the outer diameter rather than in a circle having an intermediate diameter between the outer diameter 111 and the inner diameter 110 of the seal member as shown in FIGS. desirable. Further, when the seal member is attached to the circumferential groove of the telescope prevention plate and observed from the longitudinal direction of the pressure vessel, the through hole or the communication groove of the seal member is formed in a portion outside the diameter of the separation membrane element. Is desirable.
  • the weight of the separation membrane element is applied to the seal member, and thus the through hole or the communication groove of the seal member.
  • the portion where the distribution of sparse is downward in the vertical direction it is possible to prevent the seal member from being deformed, fix the separation membrane element in the center of the pressure vessel, and prevent the bias of the supply fluid.
  • the weight of the separation membrane element is applied to the seal member in the vertical direction downward, and it is sufficient if only the portion in the vertical direction has the strength of the seal. It is desirable that the portion 112 sparse in the direction is 30% or less of the entire seal.
  • the seal member is divided into 10 equal parts in the circumferential direction of the seal member, and the blockage rate of each part is higher than the blockage rate of the entire seal member. It is defined as “sparse” when it is small and “dense” when it is small.
  • the C-type split ring seal formed from a part of the ring allows the supply fluid to escape to the bypass passage. It is desirable that the angle 103 formed by the ends and the center of the seal in the defective portion of the C-type split ring seal is larger than 144 °, more preferably larger than 216 °, and further preferably larger than 252 °. .
  • the missing portion of the C-type split ring seal has an angle 103 formed between both ends and the center of the seal of less than 180 °.
  • the separation membrane element located closest to the supply fluid supply port has a large flow rate of the supply fluid and easily captures impurities such as fine particles that cause fouling. It is likely to occur. Therefore, at least at the site of the seal member closest to the supply fluid supply port side, the above-mentioned blockage rate is preferably 60% or less, more preferably less than 40%, and further preferably less than 30%. Great effect can be obtained. That is, in the longitudinal direction of the pressure vessel, the above-mentioned blockage rate B1 at the portion of the seal member located at one end is preferably 60% or less, more preferably less than 40%, further preferably less than 30%. The effect is obtained.
  • the separation membrane element existing on the other end side of the separation fluid element on the supply fluid supply port side is less likely to cause a telescope.
  • the above-mentioned blockage rate B2 of the seal member adjacent to the seal member closest to the supply fluid supply port side may be larger than the above-mentioned blockage rate B1. That is, in the longitudinal direction of the pressure vessel, the sealing rate B1 is 60% or less at the portion of the sealing member located at one end, and the sealing rate B2 of the sealing member adjacent thereto is B1 ⁇ B2. It is more preferable to satisfy the relationship of
  • the above-mentioned blockage rate B2 is preferably 80% or more, more preferably 90% or more.
  • the above-mentioned closing rate B1 is 60% or less, and the sealing member located closer to the other end side has the above-mentioned closing rate. More preferably, Bn is high.
  • the blockage rate Bn means the blockage rate at the position of the n-th seal member counting from the seal member located at one end in the longitudinal direction of the pressure vessel.
  • the supply fluid supply port side is most It is preferable that at least one seal member site other than the existing seal member has the above-mentioned blockage rate of 100%, and the above-mentioned blockage rate of the seal member site closest to the concentrated fluid discharge side is 100%. More preferably. Further, as a result, the balance between the amount of permeated fluid flowing out from the separation membrane element on the side of the supply fluid supply and the amount of permeated fluid flowing out from the separation membrane element on the side of concentrated fluid discharge becomes a suitable balance, and the permeation obtained as a whole. The quality of the fluid can be improved.
  • the total value of S1 n and S2 n is preferably 1800 mm 2 or more.
  • S1 n refers to the minimum area when the gap formed between the telescope prevention plates of the adjacent separation membrane elements is observed from the direction perpendicular to the longitudinal direction of the pressure vessel.
  • S2 n is a communication channel formed in the telescope prevention plate for communicating the gap between the pressure vessel and the separation membrane element and the inside of the separation membrane element, which is perpendicular to the longitudinal direction of the pressure vessel. The minimum area when observed from the direction.
  • a plurality of S1 n are present (S1 1 , S1 2 ).
  • a plurality of communication channels are formed in at least a part of the telescope prevention plates in the plurality of separation membrane elements included in the separation membrane module, there are a plurality of S2 n (S2 1 , S2 2 ,. ⁇ ⁇ ) Regarding S1 n and S2 n, it is sufficient that the sum of all of them is 1800 mm 2 or more, and either S1 n or S2 n may be 0 (zero).
  • the pressure loss can be suppressed within an appropriate range in the configuration of the separation membrane module of the present invention.
  • the total value of S1 n and S2 n is preferably 2500 mm 2 or more, more preferably 2800 mm 2 or more.
  • the total value of S1 n and S2 n is preferably 12000 mm 2 or less.
  • the values of S1 n and S2 n are measured with respect to the entire circumference from the direction perpendicular to the longitudinal direction of the pressure vessel with the plurality of separation membrane elements not inserted in the pressure vessel being connected in series. It can be determined by observing, taking a picture at a position where each value is the minimum, and determining from the image.
  • a method for forming a gap between the telescopic prevention plates of the adjacent separation membrane elements As a method for forming a gap between the telescopic prevention plates of the adjacent separation membrane elements, as shown in FIG. 7, a method of providing a central tube connector 80 or a spacer 81 between the adjacent separation membrane elements is used. Can be mentioned. Only one of the central tube connector and the spacer may be provided. The spacer may be integral with the central tube connector like the spacer 92 shown in FIG. 8 (a), or may have a diameter larger than that of the telescope prevention plate like the spacer 91 shown in FIG. 8 (b). May be small or ring-shaped.
  • the amount of fluid escaping to the bypass flow passage which is the gap between the pressure vessel and the separation membrane element is To increase.
  • Such a change in the amount of fluid escaping to the bypass flow passage may be detected. For example, when the value exceeds a preset threshold value, for example, the amount of supply fluid supplied to the separation membrane module is reduced ( It is possible to prevent the telescope of the separation membrane element by means such as lowering the pressure of the supply fluid), cleaning the separation membrane element, or replacing the separation membrane element.
  • a method of detecting a change in the amount of fluid escaping to the bypass flow passage for example, a method of providing a means capable of generating aerodynamic noise such as a whistle in the bypass flow passage, or a method of measuring electromotive force generated by electromagnetic induction Is mentioned.
  • an intermediate plug 70 is provided between the adjacent separation membrane elements instead of the central tube connector 41, and further, at the both ends of the intermediate plug 70 in the longitudinal direction of the pressure vessel, the permeated fluid outlets (43a, 43a, By providing 43b) respectively, for example, it becomes possible to individually sample the permeated fluid before and after the intermediate plug 70 from each permeated fluid outlet.
  • the degree of blockage inside the separation membrane element by measuring and comparing the flow rate or property of the permeated fluid before and after the intermediate plug. Specifically, when the inside of the separation membrane element on the supply fluid supply port side of the intermediate plug is closed, the flow rate of the fluid before the intermediate plug decreases and the electric conductivity of the permeating fluid increases.
  • the total dissolved solid content (TDS) can be mentioned.
  • the electrical conductivity can be measured using an online or handy type electrical conductivity meter.
  • the total dissolved solid content (TDS) can be calculated by heating and evaporating the sampled permeated fluid and measuring the mass of the residue.
  • the intermediate plug is preferably provided between the separation membrane element located at one end and the separation membrane element adjacent thereto in the longitudinal direction of the pressure vessel.
  • Examples of the supply fluid used in the method for operating the separation membrane module of the present invention include river water, seawater, sewage treatment water, rainwater, industrial water or industrial wastewater, but there is a higher possibility of telescope generation.
  • the operating method of the separation membrane module of the present invention is particularly suitable for a feed fluid containing an organic substance or an inorganic substance, or a feed fluid having an osmotic pressure of 20 bar or more.
  • Example 1 Two separation membrane elements (Toray Industries Co., Ltd .; Lomembura (registered trademark) TM820V-400) in which a separation membrane is wrapped around the center tube and telescope prevention plates are provided at both ends in the longitudinal direction are prepared, and the center tube is prepared. The two were connected in series with an adhesive and inserted into a pressure vessel. The difference between the minimum inner diameter of the pressure vessel and the maximum outer diameter of the separation membrane element was 0.9 mm. A U-coupling seal made of nitrile rubber provided with a through hole was used as a seal member in the gap between the separation membrane element on the supply fluid supply port side of the pressure vessel and the pressure vessel to partially close the gap. The closing rate of the seal member was 60%.
  • the value of S1 n for the gap formed between the telescope prevention plates of the adjacent separation membrane elements was 1800 mm 2 .
  • a NaCl aqueous solution having a concentration of 32000 mg / L which is a supply fluid, is separated into a permeated fluid and a concentrated fluid under the conditions of a recovery rate of 8% and a supply rate of 15 m 3 / h.
  • the differential pressure between the supply pressure of the NaCl aqueous solution to the separation membrane module and the concentrated water pressure was 0.08 kgf / cm 2 .
  • Example 2 When a separation membrane module was manufactured and operated under the same conditions as in Example 1 except that the value of S1 n was set to 2500 mm 2 , the differential pressure was 0.075 kgf / cm 2 .
  • Example 3 When a separation membrane module was manufactured and operated under the same conditions as in Example 1 except that the blocking rate of the sealing member was set to 30%, the differential pressure was 0.055 kgf / cm 2 .
  • Example 4 When the separation membrane module was manufactured and operated under the same conditions as in Example 1 except that the blocking rate of the seal member was set to 40%, the above-mentioned differential pressure was 0.060 kgf / cm 2 .

Abstract

本発明は中心管、前記中心管に巻囲された分離膜、および前記中心管の長手方向の両端に設けられたテレスコープ防止板を有する複数の分離膜エレメントと、円筒状の圧力容器と、少なくとも一つのシール部材と、を備え、前記シール部材が、前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの間隙の一部を閉塞しており、前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において６０％以下であり、前記圧力容器の長手方向と、前記分離膜エレメントの長手方向とを一致させて、複数の前記分離膜エレメントが前記圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されている、分離膜モジュールに関する。

Description

分離膜モジュール及びその運転方法
　本発明は、分離膜モジュール及びその運転方法に関する。
　近年、逆浸透膜、ナノ濾過膜、限外濾過膜又は精密濾過膜等、様々な分離膜を用いた流体分離技術が開発されており、例えば逆浸透膜を用いた逆浸透分離法は、海水やかん水の淡水化、超純水の製造、又は、有価物の濃縮回収等に、幅広く適用されている。
　分離膜を用いた流体分離における共通の課題が、被処理流体に含まれる不純物が分離膜表面等に吸着又は堆積して分離膜性能を劣化させる、ファウリングである。ファウリングが生じた分離膜は、薬液洗浄により回復可能であるものの、その処置は流体分離の運転を一時停止することによる稼働率低下や、薬液の影響による分離膜の劣化等、多くの問題を伴うものである。
　平膜状の分離膜は、分離膜が孔を有する中心管に巻囲された、スパイラル型分離膜エレメントの形態で用いられることが一般的であるが、このスパイラル型分離膜エレメントでは、特にファウリングが生じやすいことが知られている。そしてスパイラル型分離膜エレメントは、その複数を直列に接続して用いられることが多い。特に被処理流体が海水であるような場合には、浸透圧が低く透過流束が大きい、初段のスパイラル型分離膜エレメントにおけるファウリング発生が顕著となる。
　スパイラル型分離膜エレメントにおいてファウリングが発生すると、スパイラル型分離膜エレメント内部の流路が閉塞し、内部の部材等が変形あるいは押し出されて分離性能が大幅に低下する、テレスコープと呼ばれる現象が引き起こされる。
　このテレスコープを抑止すべく、スパイラル型分離膜エレメントにおける被処理流体の流れ方向を一時的に逆側に切り替えて、分離膜表面に堆積した物質をフラッシングする技術（特許文献１～３）等が知られている。
国際公開第２００９／１２８３２８号 日本国特開２００４－１４１８４６号公報 日本国特開２００２－２１０３３５号公報
　しかしながら従来の技術では、例えば被処理水の水質変化等に起因してフラッシングのタイミングが不適切である場合には、テレスコープを効果的に抑止することができないことが問題視されていた。
　そこで本発明は、薬液洗浄の頻度を高めることなく、分離膜モジュールの構成要素である分離膜エレメントのテレスコープを効果的に抑止することが可能な、分離膜モジュールを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明では、中心管、前記中心管に巻囲された分離膜、および前記中心管の長手方向の両端に設けられたテレスコープ防止板を有する複数の分離膜エレメントと、円筒状の圧力容器と、少なくとも一つのシール部材と、を備え、前記シール部材が、前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの間隙の一部を閉塞しており、前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において６０％以下であり、前記圧力容器の長手方向と、前記分離膜エレメントの長手方向とを一致させて、複数の前記分離膜エレメントが前記圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されている、分離膜モジュールを提供する。
　上記目的を達成するため、本発明の別の態様では、中心管、前記中心管に巻囲された分離膜、および前記中心管の長手方向の両端に設けられたテレスコープ防止板を有する複数の分離膜エレメントと、円筒状の圧力容器と、少なくとも一つのシール部材と、を備え、上記圧力容器の長手方向と、上記分離膜エレメントの長手方向とを一致させて、複数の上記分離膜エレメントが上記圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されており、上記圧力容器の最小内径と、上記分離膜エレメントの最大外径との差が、０．１～１．８ｍｍであり、上記シール部材が、上記圧力容器と上記分離膜エレメントとの間隙の一部を閉塞しており、上記シール部材を、上記圧力容器の長手方向から観察したときの上記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において６０％以下であり、隣接する、上記分離膜エレメントの上記テレスコープ防止板同士の間に形成される間隙を、上記圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から観察したときの、最小面積をＳ１ｎ、上記テレスコープ防止板に形成された、上記圧力容器と上記分離膜エレメントとの間隙と、上記分離膜エレメント内部とを連通させるための連通流路を、上記圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から観察したときの、最小面積をＳ２ｎ、としたとき、上記Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値が、１８００ｍｍ２以上である、分離膜モジュールを提供する。
　本発明によれば、圧力容器と分離膜エレメントとの間に存在する空間等がバイパス流路としての役割を果たし、分離膜エレメントの圧力損失が上昇した場合においても、テレスコープの発生を抑止することが可能となる。
　さらには、上記のいわゆるバイパス流路における被処理流体の量や性状を指標として、分離膜エレメントを薬液洗浄すべきタイミング等をより的確に判断することも可能となる。
図１は本発明の分離膜モジュールが備える分離膜エレメントの一態様を示す、部分破断斜視図である。 図２は本発明の分離膜モジュールの実施形態の一例を示す、模式図である。 図３は本発明の分離膜モジュールの実施形態の一例を示す、模式図である。 図４はシール部材に設ける貫通孔又は連通溝の形状の例を示す、模式図である。 図５は本発明の分離膜モジュールが備える、分離膜エレメントを構成するテレスコープ防止板の一態様を示す、模式図である。 図６は本発明の分離膜モジュールの実施形態の一例を示す、模式図である。 図７は本発明の分離膜モジュールの実施形態の一例を示す、模式図である。 図８の（ａ）および（ｂ）は本発明の分離膜モジュールが備える、分離膜エレメントを構成するテレスコープ防止板及びスペーサーの態様を示す、模式図である。 図９はシール部材としてＣ型スプリットリングシールを用いる場合の例を示す、模式図である。 図１０はシール部材に設ける貫通孔又は連通溝の形状の例を示す、模式図である。 図１１の（ａ）～（ｃ）はシール部材に設ける貫通孔又は連通溝の形状の例を示す、模式図である。
　以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
　本発明の分離膜モジュールは、中心管、前記中心管に巻囲された分離膜、および前記中心管の長手方向の両端に設けられたテレスコープ防止板を有する複数の分離膜エレメントと、円筒状の圧力容器と、少なくとも一つのシール部材と、を備える。
　１．分離膜エレメント
　図１は、本発明の分離膜モジュールが備える分離膜エレメントの実施形態の一例を示す、部分破断斜視図である。
　この実施形態における分離膜エレメント２０は、有孔の中心管２４の周囲に、分離膜２１が巻囲されており、さらにその巻囲体の外表面は、外装材（図示しない）で覆われている。また巻囲体の長手方向における両端部には、テレスコープ防止を目的として、テレスコープ防止板２５が設けられている。なおテレスコープ防止板２５の外周面には、後述するシール部材を嵌め込み固定するための、周回溝２５１が成形されている。
　分離膜エレメントを構成する有孔の中心管の素材としては、例えば、樹脂又は金属が挙げられるが、コストや耐久性の観点から、ノリル樹脂又はＡＢＳ樹脂等の樹脂が好ましい。
　分離膜エレメントを構成する分離膜としては、例えば、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ガス分離膜又は脱ガス膜が挙げられる。
　分離膜エレメントを構成する巻囲体の外表面は、外装材で覆われていても構わない。外装材としては、例えば、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン若しくはポリ塩化ビニルのフィルム、又は、硬化性樹脂を塗布したガラス繊維のシートが挙げられる。
　分離膜エレメントを構成するテレスコープ防止板の素材としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂又は耐熱性樹脂が挙げられる。またテレスコープ防止板の形状としては、強度を維持しながらも供給流体を高効率に分離膜エレメント内部に供給するため、外周環状部材と内周環状部材とが複数のスポーク状部材で結合された、スポーク型構造が好ましい。
　分離膜エレメント２０には、その長手方向における一端から、被処理流体すなわち供給流体２６が供給される。分離膜エレメント２０の内部で供給流体２６の一部は分離膜２１を透過し、中心管の孔から中心管の内部に集められ、分離膜エレメント２０の他端から透過流体２７として回収される。また分離膜２１を透過しなかった濃縮流体２８も、分離膜エレメント２０の他端から排出される。
　上記のような流体の流れを形成するため、分離膜２１の端部の一部は封止がされており、供給流体２６と透過流体２７とが混ざらないようになっている。分離膜の端部を封止する手段としては、例えば、接着法が挙げられ、接着法に用いる接着剤としては、例えば、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤又はホットメルト接着が挙げられる。
　なお対向する分離膜の表面の間には、図１に示すように、流体の流路を形成するための供給側流路材２３及び透過側流路材２２が配置されていても構わない。
　供給側流路材および透過側流路材としては、例えば、ネット状部材、メッシュ状部材、溝付シート又は波形シートが挙げられる。
　２．分離膜モジュール
　本発明の分離膜モジュールは、円筒状の圧力容器の長手方向と、分離膜エレメントの長手方向とを一致させて、複数の分離膜エレメントが上記圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されていることを必要とする。
　図２は、本発明の分離膜モジュールの実施形態の一例を示す、模式図である。
　この実施形態における分離膜モジュール４７は、円筒状の圧力容器４６の長手方向と、分離膜エレメント３９ａ～３９ｆの長手方向とを一致させて、前記六つの分離膜エレメント（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆ）が圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されている。ここで「直列に接続される」とは、一の分離膜エレメントの中心管と、隣接する他の（一の）分離膜エレメントの中心管とが接続され、一の分離膜エレメントの中心管から流出した透過流体の全てが、隣接する他の（一の）分離膜エレメントの中心管に流入する態様をいう。なお図２では、分離膜エレメント３９ａ～３９ｆの中心管同士の間が、中心管コネクター４１でそれぞれ連結されることで、前記六つの分離膜エレメント３９ａ～３９ｆが直列に接続されている。また、分離膜モジュール４７の両端に位置する分離膜エレメント３９ａ及び分離膜エレメント３９ｆの片方の中心管は、それぞれ透過流体取出口４３ａ，４３ｂに接続されている。
　図２に示す分離膜モジュール４７では、供給流体が供給流体供給口３８を経由して、分離膜エレメント３９ａの端部に供給される。分離膜エレメント３９ａで分離された濃縮流体は、分離膜エレメント３９ｂに供給される。その後順次、濃縮流体は分離膜エレメント３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ及び３９ｆに供給され分離された後に、濃縮流体排出口４０から排出されることとなる。
　本発明の分離膜モジュールにおいては、圧力容器の最小内径と、分離膜エレメントの最大外径との差が、０．１～１．８ｍｍであることが好ましい。圧力容器と分離膜エレメントとの間に少なくとも０．１～１．８ｍｍの間隙が確保されることで、該間隙がバイパス流路として機能する。例えば分離膜エレメント内部の流路がファウリングの発生により閉塞する等して流動抵抗が高まった場合においても、供給流体の一部をこのバイパス流路に逃がすことで、分離膜エレメントのテレスコープを抑止することが可能となる。
　圧力容器の最小内径と分離膜エレメントの最大外径との差が０．１ｍｍ未満であると、分離膜エレメントを圧力容器に挿入するのが困難となるばかりでなく、圧力容器と分離膜エレメントとの間隙がバイパス流路として機能しない。一方で、上記の差が１．８ｍｍを超えると、分離膜エレメントに供給される供給流体の量が過度に減るおそれがある。更には、分離膜モジュールを水平方向に設置したような場合には、例えば分離膜エレメントの下部に位置するシール部材が重力によって潰れてしまい、バイパス流路に逃げた供給流体の流れにムラが生じ、結果として分離膜モジュールの分離性能が低下してしまう。
　圧力容器の最小内径と分離膜エレメントの最大外径との差は、０．５～１．５ｍｍであることが好ましく、０．５～１．０ｍｍであることがより好ましい。
　圧力容器の最小内径と、分離膜エレメントの最大外径とは、ノギス等を用いて測定することができる。なお複数の分離膜エレメント間で最大外径が異なる場合においては、最も大きい最大外径の値を、「分離膜エレメントの最大外径」として上記の差を算出するものとする。
　供給流体が最も多くテレスコープが発生する可能性が高い、（圧力容器の長手方向において）最も供給流体供給口側に存在する分離膜エレメントについて、供給流体の総流量に占める、バイパス流路へ逃げることとなる流体の流量の割合は、該分離膜エレメント内部の流動抵抗を十分に低減する観点から、１０～６０％が好ましく、２０～５０％がより好ましい。
　また、圧力容器の長手方向において分離膜エレメントと隣接する他の分離膜エレメントとのテレスコープ防止板同士の間に間隙が設けられておらず、分離膜エレメント同士が接触しているような場合、例えば、分離膜エレメントのテレスコープ防止板同士が密着しているような場合においては、一旦バイパス流路へ逃げた流体が、再び分離膜エレメント内部に供給されることが困難となるばかりでなく、圧力損失を適度な範囲に抑制することが困難となる。従ってこのような場合においては、例えば図５に示すように、テレスコープ防止板２５に、バイパス流路と分離膜エレメント内部とを連通させるための、連通流路６４ａ～６４ｎを設ける必要が生じる。
　３．シール部材
　本発明の分離膜モジュールは、シール部材が、圧力容器と分離膜エレメントとの間隙の一部を閉塞しており、上記シール部材を、上記圧力容器の長手方向から観察したときの上記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において６０％以下である必要がある。該閉塞率が６０％以下であることで、供給流体の総流量に対するバイパス流路へ逃げることとなる流体の割合が好適な割合となる。該閉塞率はより好ましくは４０％未満、さらに好ましくは３０％未満であるとより大きな効果が得られる。
　図２に示す分離膜モジュール４７では、分離膜エレメント３９ａ～３９ｆの両端に設けられたテレスコープ防止板と圧力容器との間の空隙を、複数のシール部材４５ａ１～４５ｆ１及びシール部材４５ａ２～４５ｆ２が閉塞している。
　シール部材は、圧力容器と分離膜エレメントとの間隙すなわちバイパス流路を適度に閉塞してバイパス流路に逃げる供給流体の量を調整し、分離膜モジュール全体の分離効率が過度に低下することを防止する役割を果たす。
　シール部材としては、例えば、公知のＵ－カップリングシール、Ｖ－カップリングシール、Ｏ－リングシール又はスプリットリングシールが挙げられる。ここでスプリットリングシールとは、環状の部材が一箇所以上で切断された形状を有する。環状のスプリットリングシールの径方向における切断面は、圧力容器と分離膜エレメントの間で対称な形となって間隙が閉塞されるよう、矩形であることが好ましい。これにより、本発明の分離膜モジュールの両端いずれからでも供給流体を供給することが可能となり、かつ、圧力容器内で分離膜エレメントを移動させることが容易となる。
　シール部材の素材としては、供給流体に対する耐久性を有するものであれば特に限定されない。Ｕ－カップリングシール、Ｖ－カップリングシール又はＯ－リングシールの素材としては取付け容易性の観点から弾性材が好ましく、スプリットリングシールの素材としては非弾性材が好ましい。
　弾性材としては、例えば、ニトリルゴム、スチロールゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム又はウレタンゴム等のゴムが挙げられる。これらゴムを架橋させる方法としては、例えば、加硫剤として硫黄を用いた加硫、又は、パーオキサイドを用いた架橋反応が挙げられるが、弾性材であるゴムの耐久性をより高めるため、パーオキサイドを用いた架橋反応が好ましい。
　非弾性材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン若しくはポリプロピレン等の樹脂、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム若しくはチタン又はそれらの合金等の金属、セラミック、黒鉛、石綿又はＦＲＰ等の有機無機複合体が挙げられる。
　シール部材を圧力容器の長手方向から観察したときにおける、圧力容器と分離膜エレメントとの間隙の閉塞率は、少なくとも一のシール部材において６０％以下である必要がある。閉塞率が６０％以下であることで、圧力容器と分離膜エレメントの間隙を、バイパス流路として十分に活用することができる。該閉塞率はより好ましくは４０％未満、さらに好ましくは３０％未満であるとより大きな効果が得られる。
　圧力容器と分離膜エレメントの間隙の閉塞率は、圧力容器の長手方向から圧力容器、分離膜エレメント及びシール部材の写真を撮影し、その画像から、圧力容器と分離膜エレメントとの間隙の面積Ｈ１、並びに、該間隙で閉塞されている部分の総面積Ｈ２をそれぞれ決定し、Ｈ２をＨ１で除して百分率で表すことで、算出することができる。なお、圧力容器の長手方向における一方から観察して決定したＨ１又はＨ２の値と、圧力容器の長手方向における他方から観察して決定したＨ１又はＨ２の値とが異なる場合には、それぞれの平均値を用いて、上記の閉塞率を算出することができる。
　上記の閉塞率を好適な値に調整する手段としては、例えば、図３に示すように、シール部材の一部に、圧力容器の長手方向にシール部材を貫通する、貫通孔６１ａ若しくは６１ｂを設ける方法、あるいは、シール部材の外表面又は圧力容器の内表面に、供給流体の一部をバイパス流路に逃がすための、連通溝６２ａ若しくは６２ｂを設ける方法が挙げられる。
　シール部材の一部に設けられる貫通孔又は連通溝の形状は特に限定されず、例えば、スプリットリングシールを一例として図４に示すような、多様な形状が挙げられる。こうして、例えば分離膜エレメント内部の流路が閉塞する等して流動抵抗が高まった場合においても、供給流体の一部をバイパス流路に逃がすことで、分離膜エレメントのテレスコープを抑止することが可能となる。
　分離膜モジュールを、分離膜エレメント内部の流動抵抗が高まったときほど、より多くの供給流体がバイパス流路６０に流れるように構成するため、シール部材が弾性材からなるＯ－リングシール等である場合には、貫通孔の形状を柔軟に変形可能な星型多角形又はスリットにすることや、シール部材の一部を薄くすることが好ましい。
　シール部材を圧力容器の長手方向から観察したときにおける、圧力容器と分離膜エレメントの間隙の閉塞率は、少なくとも一のシール部材の部位において、６０％以下であればよいが、圧力容器内にシール部材が複数存在する場合には圧力容器の長手方向において両端に位置するシール部材の少なくとも片側（供給流体供給口側）において、閉塞率が６０％以下であることが好ましく、他のシール部材の部位においては、例えば間隙が完全閉塞（閉塞率１００％）の状態であっても構わない。ただし、１つの分離膜エレメントに複数のシール部材がある場合、供給流体供給口側の分離膜エレメントのシール部材は全て閉塞率が６０％以下であることが望ましい。
　シール部材をテレスコープ防止板の周回溝２５１にはめ込む場合、シール部材の強度を保ちつつ供給流体をバイパス流路に逃がすためには、シール部材の貫通孔又は連通溝がテレスコープ防止板と圧力容器の間に位置することが望ましく、図１０や１１のようにシール部材の外径１１１と内径１１０の中間の径を有する円よりも外径よりに貫通孔又は連通溝が形成されていることが望ましい。また、シール部材をテレスコープ防止板の周回溝に装着して圧力容器の長手方向から観察したときに、シール部材の貫通孔又は連通溝が分離膜エレメントの径より外側の部分に形成されていることが望ましい。また、シール部材の貫通孔又は連通溝の分布がシールの周方向に疎の部分１１２と密の部分がある場合、分離膜エレメントの重量がシール部材に掛かるため、シール部材の貫通孔又は連通溝の分布が疎の部分を鉛直方向下向きに設置することにより、シール部材が変形することを防ぎ、分離膜エレメントを圧力容器の中心に固定することができ、供給流体の偏りを防ぐことが可能となる。分離膜エレメントの重量がシール部材に掛かるのは上記の通り鉛直方向下向きであり、鉛直方向下の部分のみシールの強度があれば良いので、シール部材の貫通孔又は連通溝の分布がシールの周方向に疎の部分１１２はシール全体の３０％以下であることが望ましい。
ここで、シール部材の貫通孔又は連通溝の分布が疎または密とは、シール部材をシール部材の周方向に１０等分して、それぞれの部分の閉塞率がシール部材全体の閉塞率より大きい場合に「疎」、小さい場合に「密」と定義する。
図９のように、リングの一部から形成されたＣ型スプリットリングシールで供給流体をバイパス流路に逃がすことが可能である。
Ｃ型スプリットリングシールの欠損部分は両端とシールの中心の形成する角度１０３が１４４°より大きいことが望ましく、より好ましくは２１６°より大きく、さらに好ましくは２５２°より大きいとより大きな効果が得られる。
　ただし、Ｃ型スプリットリングシールを使用する場合は、Ｃ型スプリットリングシールの欠損部分は両端とシールの中心の形成する角度１０３は１８０°より小さいことが好ましい。これにより分離膜エレメントが振動で動いてもＣ型スプリットリングシールに固定され、圧力容器と分離膜エレメントの距離を保つことが可能となる。
　圧力容器の長手方向において、最も供給流体供給口側に存在する分離膜エレメントが、供給流体の流量が大きく、ファウリングの発生原因となる微粒子等の不純物を捕捉しやすいことから、最もテレスコープが発生する可能性が高い。そのため、少なくとも、最も供給流体供給口側に存在するシール部材の部位において、上記の閉塞率が６０％以下であることが好ましく、より好ましくは４０％未満、さらに好ましくは３０％未満であるとより大きな効果が得られる。すなわち、圧力容器の長手方向において、一端に位置するシール部材の部位における上記の閉塞率Ｂ１が６０％以下であることが好ましく、より好ましくは４０％未満、さらに好ましくは３０％未満であると大きな効果が得られる。
　圧力容器の長手方向において、供給流体供給口側に存在する分離膜エレメントよりも他端側に存在する分離膜エレメントは、よりテレスコープが発生する可能性が低い。このため、圧力容器の長手方向において、最も供給流体供給口側に存在するシール部材に隣接するシール部材における上記の閉塞率Ｂ２は、上記の閉塞率Ｂ１より大きくて構わない。すなわち、圧力容器の長手方向において、一端に位置するシール部材の部位において、上記の閉塞率Ｂ１が、６０％以下であり、かつ、それに隣接するシール部材における上記の閉塞率Ｂ２が、Ｂ１＜Ｂ２の関係を満たすことがより好ましい。
　分離のエネルギー効率を高めるため、上記の閉塞率Ｂ２は、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
　さらには、圧力容器の長手方向において、一端に位置するシール部材の部位において、上記の閉塞率Ｂ１が、６０％以下であり、かつ、より他端側に位置するシール部材ほど、上記の閉塞率Ｂｎが高くなることがさらに好ましい。ここで閉塞率Ｂｎとは、圧力容器の長手方向において一端に位置するシール部材から数えてｎ番目のシール部材の部位における閉塞率を意味する。
　一方で、供給流体の一部が分離膜エレメントを一切通過することなく、濃縮流体排出口から排出されること等を防ぐため、シール部材が複数存在する場合には、最も供給流体供給口側に存在するシール部材以外の、少なくとも一つのシール部材の部位の上記の閉塞率が１００％であることが好ましく、最も濃縮流体排出口側に存在するシール部材の部位の上記の閉塞率が１００％であることがより好ましい。またそれにより、供給流体供給口側の分離膜エレメントから流出する透過流体量と、濃縮流体排出口側の分離膜エレメントから流出する透過流体量とのバランスが好適なバランスとなり、全体として得られる透過流体の質を向上させることができる。
　また本発明の分離膜モジュールは、Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値が、１８００ｍｍ２以上であると好ましい。
　ここでＳ１ｎとは、隣接する分離膜エレメントのテレスコープ防止板同士の間に形成される間隙を、圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から観察したときの、最小面積をいう。またＳ２ｎとは、テレスコープ防止板に形成された、圧力容器と分離膜エレメントとの間隙と、分離膜エレメント内部とを連通させるための連通流路を、圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から観察したときの、最小面積をいう。
　なお、分離膜エレメントが圧力容器内で三つ以上直列に接続された場合には、Ｓ１ｎは複数存在する（Ｓ１１，Ｓ１２・・・）ことになる。また分離膜モジュールが備える複数の分離膜エレメント全体で、複数の連通流路が少なくとも一部のテレスコープ防止板に形成されている場合には、Ｓ２ｎは複数存在する（Ｓ２１，Ｓ２２・・・）ことになる。Ｓ１ｎ及びＳ２ｎについては、それらすべてを合計した値が１８００ｍｍ２以上であれば構わず、Ｓ１ｎ又はＳ２ｎのいずれかが０（ゼロ）であっても構わない。
　Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値が１８００ｍｍ２以上であることで、本発明の分離膜モジュールの構成において圧力損失を適度な範囲に抑制することができる。Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値は、２５００ｍｍ２以上であることが好ましく、２８００ｍｍ２以上であることがより好ましい。一方で、Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値が１２０００ｍｍ２を超えると圧力損失は上昇しないため、Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値は、１２０００ｍｍ２以下であることが好ましい。
　それぞれＳ１ｎ及びＳ２ｎの値は、圧力容器に挿入されていない状態の複数の分離膜エレメントを、直列に接続されたままの状態で、圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から全周囲について観察し、それぞれの値が最小となるような位置で写真を撮影し、その画像から決定することができる。
　隣接する分離膜エレメントのテレスコープ防止板同士の間に間隙を形成する方法としては、図７に示すように、隣接する分離膜エレメント同士の間に、中心管コネクター８０またはスペーサー８１を設ける方法が挙げられる。中心管コネクター又はスペーサーは、いずれか一方のみが設けられることでも構わない。スペーサーは、図８の（ａ）に示すスペーサー９２のように、中心管コネクターと一体型であっても構わないし、図８の（ｂ）に示すスペーサー９１のように、テレスコープ防止板より直径が小さい、輪状であっても構わない。
　４．分離膜モジュールの運転方法
　本発明の分離膜モジュールの運転方法では、本発明の分離膜モジュールを用いて、供給流体を、透過流体と濃縮流体とに分離する。
　本発明の分離膜モジュールが備える、分離膜エレメント内部の流路が閉塞する等して流動抵抗が高まった場合には、圧力容器と分離膜エレメントの間隙であるバイパス流路へ逃げる流体の量が増加する。このようなバイパス流路へ逃げる流体の量の変化を検知してもよく、例えばその値が予め設定した閾値を超えた場合には、例えば、分離膜モジュールに供給する供給流体の量を減らす（供給流体の圧力を下げる）、分離膜エレメントを洗浄する、又は、分離膜エレメントを交換する、等の手段により、分離膜エレメントのテレスコープを未然に防ぐことが可能である。
　なおバイパス流路へ逃げる流体の量の変化を検知する方法としては、例えば、バイパス流路に笛等の空力騒音を発生可能な手段を設ける方法、又は、電磁誘導によって生じる起電力を測定する方法が挙げられる。
　なお図６に示すように、隣接する分離膜エレメントの間に、中心管コネクター４１の代わりに中間プラグ７０を設け、さらに圧力容器の長手方向において中間プラグの両端に、透過流体取出口（４３ａ，４３ｂ）をそれぞれ設けることで、例えばそれぞれの透過流体取出口から中間プラグ７０前後の透過流体を個別にサンプリング等することが可能となる。
　この場合、中間プラグ前後の透過流体の流量又は性状を測定して比較することで、分離膜エレメント内部の閉塞の程度を解析することも可能である。具体的には、中間プラグよりも供給流体供給口側の分離膜エレメント内部が閉塞した場合には、中間プラグ前の流体の流量は低下し、透過流体の電気伝導度は上昇する。
　透過流体の性状の指標としては電気伝導度以外に、例えば、総溶解固形分（ＴＤＳ）が挙げられる。電気伝導度は、オンライン又はハンディタイプの電気伝導度計を用いて測定することができる。また総溶解固形分（ＴＤＳ）は、サンプリングした透過流体を加熱蒸発させ、残留物の質量を測定して算出することができる。
　中間プラグは、圧力容器の長手方向において、一端に位置する分離膜エレメントと、それに隣接する分離膜エレメントの間に設けられることが好ましい。中間プラグが設けられた側を供給流体供給口側とすることで、最もテレスコープが発生する可能性が高い、（圧力容器の長手方向において）最も供給流体供給口側に存在する分離膜エレメントの閉塞の程度を解析することができる。
　さらに中間プラグの前の透過流体の流量が閾値を超えないように供給流体を適宜調節することにより、分離膜エレメント内部の閉塞をより効果的に抑制することが可能となる。中でも、被処理流体である水の温度が高い場合や分離膜エレメントが新しい場合には、テレスコープが発生する可能性が高まるため、より多くの供給流体をバイパス流路へ逃がして中間プラグの前の流体の流量を低減することで、テレスコープをより効果的に抑制することが可能となる。
　本発明の分離膜モジュールの運転方法に供される供給流体としては、例えば、河川水、海水、下水処理水、雨水、工業用水又は工業廃水が挙げられるが、よりテレスコープ発生の可能性が高い、有機物又は無機物を含有する供給流体、又は、浸透圧が２０ｂａｒ以上の供給流体に対して、本発明の分離膜モジュールの運転方法は特に好適である。
　（実施例１）
　中心管に分離膜が巻囲され、その長手方向の両端にテレスコープ防止板が設けられた分離膜エレメント（東レ株式会社製；ロメンブラ（登録商標）ＴＭ８２０Ｖ－４００）を二つ用意し、中心管同士を接着剤で直列に接続し、圧力容器に挿入した。圧力容器の最小内径と、分離膜エレメントの最大外径との差は、０．９ｍｍであった。圧力容器の供給流体供給口側の分離膜エレメントと、圧力容器との間隙にシール部材として、貫通孔が設けられたニトリルゴム製のＵ－カップリングシールで該間隙を部分的に閉塞した。シール部材の閉塞率は、６０％であった。また隣接する分離膜エレメントのテレスコープ防止板同士の間に形成される間隙についての、Ｓ１ｎの値は１８００ｍｍ２であった。このようにして製造した分離膜モジュールを用いて、供給流体である濃度３２０００ｍｇ／ＬのＮａＣｌ水溶液を、回収率８％、供給量１５ｍ３／ｈの条件で、透過流体と濃縮流体とに分離する運転をしたところ、分離膜モジュールへのＮａＣｌ水溶液の供給圧と、濃縮水圧との差圧は、０．０８ｋｇｆ／ｃｍ２となった。
　（実施例２）
　Ｓ１ｎの値を２５００ｍｍ２にした以外は、実施例１と同様に分離膜モジュールを製造し、同条件で運転をしたところ、上記差圧は０．０７５ｋｇｆ／ｃｍ２となった。
　（実施例３）
　シール部材の閉塞率を３０％にした以外は、実施例１と同様に分離膜モジュールを製造し、同条件で運転をしたところ、上記差圧は０．０５５ｋｇｆ／ｃｍ２となった。
　（実施例４）
　シール部材の閉塞率を４０％にした以外は、実施例１と同様に分離膜モジュールを製造し、同条件で運転をしたところ、上記差圧は０．０６０ｋｇｆ／ｃｍ２となった。
　（比較例１）
　シール部材の閉塞率を８０％にした以外は、実施例１と同様に分離膜モジュールを製造し、同条件で運転をしたところ、上記差圧は０．３１ｋｇｆ／ｃｍ２と高い数値になった。
　（比較例２）
　Ｓ１ｎの値を１６００ｍｍ２にした以外は、実施例１と同様に分離膜モジュールを製造し、同条件で運転をしたところ、上記差圧は０．１５ｋｇｆ／ｃｍ２と高い数値になった。
　（比較例３）
　シール部材の閉塞率を７０％にした以外は、実施例１と同様に分離膜モジュールを製造し、同条件で運転をしたところ、上記差圧は０．１９ｋｇｆ／ｃｍ２と高い数値になった。
本出願は、２０１８年１０月１７日出願の日本国特許出願２０１８－１９５５３６に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
 
　２０　：　分離膜エレメント
　２１　：　分離膜
　２２　：　透過側流路材
　２３　：　供給側流路材
　２４　：　中心管
　２５　：　テレスコープ防止板
　２５１：　周回溝
　２６，２６ａ　：供給流体（供給水）
　２７，２７ａ　：透過流体（透過水）
　２８　：　濃縮流体（濃縮水）
　３８　：　供給流体供給口
　３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆ　：　分離膜エレメント
　４０　：　濃縮流体排出口
　４１　：　中心管コネクター
　４２ａ，４２ｂ　：　端板
　４３ａ，４３ｂ　：　透過流体取出口
　４５ａ１，４５ｂ１，４５ｃ１，４５ｄ１，４５ｅ１，４５ｆ１　：　シール部材
　４５ａ２，４５ｂ２，４５ｃ２，４５ｄ２，４５ｅ２，４５ｆ２　：　シール部材
　４６　：　圧力容器
　４７　：　分離膜モジュール
　６０　：　バイパス流路
　６１ａ，６１ｂ　：　貫通孔
　６１ｒ～６１ｚ　：　貫通孔又は連通溝
　６２ａ，６２ｂ　：　連通溝
　６４ａ～６４ｎ　：　連通流路
　７０　：　中間プラグ
　８０　：　中心管コネクター
　８１　：　スペーサー
　８２　：　テレスコープ防止板
　９１　：　輪状のスペーサー
　９２　：　中心管コネクターと一体型のスペーサー
１００　：　Ｃ型スプリットリングシール
１０３　：　両端とシールの中心の形成する角度
１１０　：　シールの内径
１１１　：　シールの外径
１１２　：　連通溝の分布が疎の部分

Claims (26)

  1. 　中心管、前記中心管に巻囲された分離膜、および前記中心管の長手方向の両端に設けられたテレスコープ防止板を有する複数の分離膜エレメントと、
    　円筒状の圧力容器と、
    　少なくとも一つのシール部材と、を備え、
    　前記圧力容器の長手方向と、前記分離膜エレメントの長手方向とを一致させて、複数の前記分離膜エレメントが前記圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されており、
    　前記圧力容器の最小内径と、前記分離膜エレメントの最大外径との差が、０．１～１．８ｍｍであり、
    　前記シール部材が、前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの間隙の一部を閉塞しており、
    　前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において６０％以下であり、
    　隣接する、前記分離膜エレメントの前記テレスコープ防止板同士の間に形成される間隙を、前記圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から観察したときの、最小面積をＳ１ｎ、
    　前記テレスコープ防止板に形成された、前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの間隙と、前記分離膜エレメント内部とを連通させるための連通流路を、前記圧力容器の長手方向に対し垂直な方向から観察したときの、最小面積をＳ２ｎ、としたとき、
    　前記Ｓ１ｎ及びＳ２ｎの合計の値が、１８００ｍｍ２以上である、分離膜モジュール。
  2. 　複数の前記シール部材を備え、
    　前記圧力容器の長手方向において、一端に位置する前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの前記間隙の閉塞率Ｂ１が、６０％以下であり、かつ、
    　一端に位置する前記シール部材に隣接する前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの前記間隙の閉塞率Ｂ２が、Ｂ１＜Ｂ２の関係を満たす、請求項１記載の分離膜モジュール。
  3. 　前記間隙の閉塞率Ｂ２が、８０％以上である、請求項２記載の分離膜モジュール。
  4. 　複数の前記シール部材を備え、
    　前記圧力容器の長手方向において、一端に位置する前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの前記間隙の閉塞率Ｂ１が、６０％以下であり、かつ、
    　一端に位置する前記シール部材より他端側に位置する前記シール部材ほど、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの前記間隙の閉塞率Ｂｎが高くなる、請求項１～３のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  5. 　少なくとも一つの前記シール部材について、前記閉塞率Ｂｎが１００％である、請求項４記載の分離膜モジュール。
  6. 　一の前記分離膜エレメントと、それに隣接する前記分離膜エレメントとの間に、中間プラグが設けられ、
    　前記圧力容器の長手方向において、前記中間プラグの両側に、透過流体取出口をそれぞれ備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  7. 　前記中間プラグが、前記圧力容器の長手方向において、一端に位置する前記分離膜エレメントと、それに隣接する前記分離膜エレメントとの間に設けられている、請求項６記載の分離膜モジュール。
  8. 　一の前記分離膜エレメントと、それに隣接する前記分離膜エレメントとの間に、中心管コネクター及びスペーサーから選ばれる少なくとも一つが設けられている、請求項１～７のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  9. 　前記シール部材が貫通孔又は連通溝を有し、前記貫通孔又は前記連通溝が前記シール部材の外径と内径の中間の径を有する円よりも外径寄りに形成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  10. 　前記シール部材が貫通孔又は連通溝を有し、前記貫通孔又は前記連通溝が、前記シール部材を前記テレスコープ防止板の周回溝に装着して前記圧力容器の長手方向から観察したときに、前記分離膜エレメントの径より外側の部分に形成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  11. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布が前記シール部材の周方向に疎の部分と密の部分がある、請求項９または１０に記載の分離膜モジュール。
  12. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布の疎の部分が前記シール部材全体の５０％以下である、請求項１１に記載の分離膜モジュール。
  13. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布の疎の部分が前記シール部材全体の３０％以下である、請求項１１に記載の分離膜モジュール。
  14. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布が疎の部分が鉛直方向下向きになるように前記シール部材が設置されている、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  15. 　前記シール部材がＣ型スプリットリングシールで構成されている、請求項１～１４のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  16. 　前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの前記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において３０％未満である、請求項１～１５のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  17. 　中心管、前記中心管に巻囲された分離膜、および前記中心管の長手方向の両端に設けられたテレスコープ防止板を有する複数の分離膜エレメントと、
    　円筒状の圧力容器と、
    　少なくとも一つのシール部材と、を備え、
    　前記シール部材が、前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの間隙の一部を閉塞しており、
    前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において６０％以下であり、
    　前記圧力容器の長手方向と、前記分離膜エレメントの長手方向とを一致させて、複数の前記分離膜エレメントが前記圧力容器に挿入され、かつ、直列に接続されている、分離膜モジュール。
  18. 　前記シール部材が貫通孔又は連通溝を有し、前記貫通孔又は前記連通溝が前記シール部材の外径と内径の中間の径を有する円よりも外径寄りに形成されている、請求項１７記載の分離膜モジュール。
  19. 　前記シール部材が貫通孔又は連通溝を有し、前記貫通孔又は前記連通溝が、前記シール部材を前記テレスコープ防止板の周回溝に装着して前記圧力容器の長手方向から観察したときに、前記分離膜エレメントの径より外側の部分に形成されている、請求項１７または１８に記載の分離膜モジュール。
  20. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布が前記シール部材の周方向に疎の部分と密の部分がある、請求項１８または１９に記載の分離膜モジュール。
  21. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布の疎の部分が前記シール部材全体の５０％以下である、請求項２０記載の分離膜モジュール。
  22. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布の疎の部分が前記シール部材全体の３０％以下である、請求項２０記載の分離膜モジュール。
  23. 　前記シール部材の貫通孔又は連通溝の分布が疎の部分を鉛直方向下向きになるように前記シール部材が設置されている、請求項２０～２２のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  24. 　前記シール部材がＣ型スプリットリングシールで構成されている、請求項１７～２３のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  25. 　前記シール部材を、前記圧力容器の長手方向から観察したときの前記圧力容器と前記分離膜エレメントとの前記間隙の閉塞率が、少なくとも一のシール部材において３０％未満である、請求項１７～２４のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
  26. 　請求項１～２５のいずれか一項に記載の分離膜モジュールを用いて、供給流体を、透過流体と濃縮流体とに分離する、分離膜モジュールの運転方法。
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