JP2001300271A

JP2001300271A - 流体分離素子

Info

Publication number: JP2001300271A
Application number: JP2000123776A
Authority: JP
Inventors: Koji Fujiwara; 浩二藤原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2001-10-30

Abstract

(57)【要約】【課題】０．５ＭＰａ程度の低圧での運転時に高い塩排
除性能、造水性能が得られる分離膜を使用しつつも、長
期間に亘って安定運転ができる流体分離素子およびモジ
ュールを提供する。【解決手段】集水管の周りに分離膜、透過液流路材およ
び原液流路材を含む膜ユニットを有する流体分離素子を
圧力容器に少なくとも４個収容してなり、分離膜は、ｐ
Ｈ６．５、食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水と
して温度２５℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転
した後の膜透過流速が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排
除率が９９．０％以上の性能を有し、流体分離素子は、
見かけ平均流速１００ｍｍ／秒のときの圧力損失が１０
ｋＰａ以下の特性を有している流体分離膜モジュールと
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体分離素子に関
する。詳しくは、河川水や地下水等から超純水用途、一
般かん水用途などに利用する水を得るために好適に用い
られる流体分離素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体分野における超純水用途、
一般かん水用途等をはじめとする膜の透過液を利用する
様々な流体分離分野において、逆浸透膜等の分離膜を用
いた流体分離素子の使用が急速に増加してきている。

【０００３】たとえば、逆浸透膜を用いた分離法では、
造水コスト、設備投資削減のため、より低い圧力で運転
可能な流体分離素子の開発が求められてきたが、特開平
９−１９６３０号公報に記載されるような、低い運転圧
力で高い塩排除性能および造水性能を有する分離膜の出
現により、低圧でも水質の良い透過液を得ることができ
るようになった。さらに、流体分離素子１本当たりの充
填膜面積を広くすることによっても造水コスト、設備投
資の削減が可能であるため、充填膜密度の高い流体分離
素子を開発する傾向にある。

【０００４】しかしながら、流体分離素子は、通常、圧
力容器に複数本（通常４本以上）収容し、最上流に存在
する流体分離素子を基準に運転圧力等を設定して使用す
るが、上述したような高膜面積の流体分離素子を使用し
た場合、低膜面積の流体分離素子を使用した場合よりも
流体分離素子１本当たりの処理水量が多いので、上流側
の流体分離素子にはより多くの原液を供給することにな
る。しかし、より多くの原液が供給されると原液がその
流体分離素子を通過する際に発生する圧力損失も大きく
なり、下流側の流体分離素子における有効圧力が低膜面
積の流体分離素子を使用した場合のモジュールよりも低
くなり、透過液量、透過液の水質が低下する。

【０００５】また、有効圧力が高い上流側の流体分離素
子ほど単位膜面積当たりの透過液量が多くなるため、原
水中のファウリング物質によるファウリングが生じやす
くなる。ファウリング物質により原水流路材の流路が狭
められると、さらに圧力損失が大きくなる。この場合、
上流側の流体分離素子では、ファウリングによって塩排
除性能、造水性能が低下し、下流側の流体分離素子で
は、流体分離に有効な圧力が低下しているため、透過液
量、水質が低下し、結局、流体分離膜モジュールとして
の性能が大きく低下する。特に、０．５ＭＰａ以下の圧
力での運転においては、その影響は大きくなる。

【０００６】また、特開平９−２９９７７０号公報に
は、懸濁物質が多く含まれる原液を処理する場合には、
懸濁物質等によるケークの形成を抑えるために従来使用
されてきた原液流路材（０．６〜０．７ｍｍ）の２倍以
上の有効厚みの原液流路材を使用し、圧力損失を低く抑
えて運転することが好ましいとされている。しかしなが
ら、この場合、充填膜面積が大幅に減少してしまうた
め、透過液量が大幅に減少する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、０．５ＭＰ
ａ程度の低圧での運転時に高い塩排除性能、造水性能が
得られる分離膜を使用しつつも、長期間に亘って安定運
転ができる流体分離素子およびモジュールを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
の本発明は、集水管の周りに分離膜、透過液流路材およ
び原液流路材を含む膜ユニットを有し、分離膜は、ｐＨ
６．５、食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水とし
て温度２５℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転し
た後の膜透過流速が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排除
率が９９．０％以上の性能を有する流体分離素子であっ
て、見かけ平均流速１００ｍｍ／秒のときの圧力損失が
１０ｋＰａ以下である流体分離素子を特徴とするもので
ある。ここで、原液流路材の厚みが０．７５〜１．０ｍ
ｍの範囲にあり、かつ、膜ユニットの横断面における原
液流路材の介在空間の面積の総和が膜ユニットの全横断
面積の５５〜６５％の範囲にあることが好ましい。

【０００９】また、本発明は、集水管の周りに分離膜、
透過液流路材および原液流路材を含む膜ユニットを有す
る流体分離素子を圧力容器に少なくとも４個収容してな
り、分離膜は、ｐＨ６．５、食塩濃度１，５００ｐｐｍ
の水溶液を原水として温度２５℃、運転圧力０．５ＭＰ
ａで３０分間運転した後の膜透過流速が０．６５ｍ³／
ｍ²・日以上、塩排除率が９９．０％以上の性能を有
し、流体分離素子は、見かけ平均流速１００ｍｍ／秒の
ときの圧力損失が１０ｋＰａ以下の特性を有している流
体分離膜モジュールを特徴とするものである。ここで、
原液流路材の厚みが０．７５〜１．０ｍｍの範囲であ
り、かつ、膜ユニット横断面における原液流路材の介在
空間の面積の総和が膜ユニットの全横断面積の５５〜６
５％の範囲にあることが好ましい。

【００１０】また、これらのような流体分離膜モジュー
ルを０．５ＭＰａ以下の運転圧力で運転する造水方法も
好ましく、さらには、運転開始時の流体分離膜モジュー
ルの圧力損失を０．１ＭＰａ以下とし、原液の５０％以
上の透過液を得ることや、集水管内の圧力を運転圧力の
１０％以下の圧力に維持しながら運転することが好まし
い。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態を図面を参照して説明する。

【００１２】たとえば、図１に示す本発明の流体分離素
子１は、集水孔２を有する集水管３の周りに、分離膜４
と透過液流路材５と原液流路材６とを含む膜ユニット７
がスパイラル状に巻回されている。

【００１３】そして、分離膜４としては、低圧力運転に
よる造水コスト削減や、配管、圧力容器などの設備の耐
圧性を下げ設備投資を削減するために、ｐＨ６．５、食
塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水として温度２５
℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転した後の膜透
過流束が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排除率が９９．
０％以上の性能を有するものを使用する。さらには、膜
透過流束が０．７５ｍ ³／ｍ²・日以上、塩排除率が９
９．３％以上の性能を有するものを使用すると好まし
い。なお、本発明において、塩排除率とは次式のように
定義する。

【００１４】塩排除率（％）＝（１−２×透過水の溶質
濃度／（原液の溶質濃度＋濃縮水の溶質濃度））×１０
０また、本発明の流体分離素子１においては、原液２０が
流体分離素子１内を下記式で表される見かけ平均流速１
００ｍｍ／秒で流れるときに生じる圧力損失が１０ｋＰ
ａ以下である。

【００１５】見かけ平均流速＝｛（原液流量＋濃縮液
流量）／２｝／（流体分離素子に占める原液流路材層の
総断面積）通常、流体分離素子は、原液から透過液を高回収率で得
るために、圧力容器内に直列に４本以上連結して流体分
離膜モジュールとして使用される。そして、原液の８０
％もの透過液を得ることを目的とする一般かん水用途な
どでは、圧力容器内に６本もの流体分離素子が収容され
る。そして、このように構成された流体分離膜モジュー
ルを複数個さらに連結し、上流側の流体分離膜モジュー
ルで処理できなかった原液を下流側の流体分離膜モジュ
ールの原液として供給し、流体分離を行う。このとき、
従来の高膜面積の流体分離素子、特に、ｐＨ６．５、食
塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水として温度２５
℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転した後の膜透
過流束が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排除率が９９．
０％以上の性能を有する分離膜を使用した流体分離素子
では、圧力損失による有効圧力の低下が大きいため、下
流側の流体分離素子に到達した原液の運転圧力が低す
ぎ、透過液量、透過液の水質が低下してしまう。一方、
上流側の流体分離素子は有効圧力が高いため、処理水量
は多いものの、ファウリングが生じやすくなり、その結
果、ファウリング物質が原液流路材の流路を狭め、圧力
損失を増大させる。したがって、流体分離素子１は、原
液２０が流体分離素子１内を見かけ平均流速１００ｍｍ
／秒で流れるときに生じる圧力損失が１０ｋＰａ以下に
なるように、より好ましくは、８ｋＰａ以下になるよう
に構成することが重要である。

【００１６】また、図１の本発明の流体分離素子１にお
いて、膜ユニット７は、分離膜４の間にトリコットと呼
ばれる編み物等の透過液流路材５を挟み、集水管３側以
外の３辺を接着剤等のシール手段により封止して封筒状
にしたものと、ネット等の原液流路材６とを交互に重ね
合わせ、集水管３の周りに巻回されているが、透過液流
路材５は、膜面積の確保と透過液２１の流動抵抗の低減
とを両立するために２００〜３００μｍのものが好まし
い。また、分離膜４には、十分な性能を発揮し、かつ、
流体分離素子１において適当な膜充填率を確保するため
に、１４０〜２２０μｍの厚みのものを用いることが好
ましい。

【００１７】さらに、圧力損失を低く抑え、かつ、ファ
ウリングによる性能低下を低減させるためには、原液流
路材６の厚みが厚いことが好ましいが、透過液量を多く
得るためには、有効膜面積は広いことが好ましい。その
ため、本発明における流体分離素子１の原液流路材６
は、厚みが０．７５〜１．０ｍｍのものが好ましい。さ
らに好ましくは、０．８ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲であ
る。

【００１８】そして、膜ユニット７の横断面において、
原液流路材６の層が膜ユニット７の全断面積の５５〜６
５％の範囲を占めるように構成することが好ましい。よ
り好ましくは、６０〜６５％の範囲である。このように
構成することで、十分な膜面積を確保しつつ圧力損失を
抑えることができ、また、ファウリング物質が原液流路
材の流路を狭めた場合でも、流路幅が従来の流体分離素
子よりも広いため、圧力損失の上昇を低く抑え、安定し
た運転を長時間維持することができる。

【００１９】また、圧力損失をさらに低くするために、
原液流路材６には、図２に示すように、網目が菱目のネ
ットで、かつ、その菱目の網脚３０の角度が原液流れ方
向に対して±１５〜４０度の範囲のものを用いることが
より好ましい。

【００２０】次に、本発明の流体分離膜モジュールにつ
いて説明する。

【００２１】本発明の流体分離膜モジュールは、たとえ
ば図１に示すように、集水管３の周りに分離膜４、透過
液流路材５および原液流路材６を含む膜ユニット７を有
する流体分離素子１を圧力容器に少なくとも４個に収容
してなる。そして、その流体分離素子１の分離膜４は、
ｐＨ６．５の食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水
として温度２５℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運
転した後の膜透過流束が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩
排除率が９９．０％以上の性能を有し、さらに、流体分
離素子１は、見かけの平均流速１００ｍｍ／秒のときの
圧力損失が１０ｋＰａ以下の特性を有している。

【００２２】膜充填率を高めた（高膜面積）流体分離素
子を圧力容器に複数個（通常４個以上）収容して用いる
場合、分離膜が、たとえば、ｐＨ６．５の食塩濃度１，
５００ｐｐｍの水溶液を原水として温度２５℃、運転圧
力０．５ＭＰａで３０分間運転した後の膜透過流束が
０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排除率が９９．０％以上
という高い性能を有するものであると、従来の技術の欄
で述べた問題が深刻になる。したがって、本発明は、流
体分離素子を圧力容器に４個以上収容する場合、低圧力
運転による造水コスト削減や、配管、圧力容器などの設
備の耐圧性を下げ設備投資を削減するため、そして、下
流側の流体分離素子における有効運転圧力の低下に伴う
透過液量、透過液の水質の低下、および、上流側の流体
分離素子における圧力損失の上昇を防ぐためにに、分離
膜に、ｐＨ６．５の食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液
を原水として温度２５℃および運転圧力０．５ＭＰａで
３０分間運転した後の膜透過流束が０．６５ｍ³／ｍ²・
日以上、塩排除率が９９．０％以上の性能を有するもの
を用いるとともに、流体分離素子は、見かけ平均流速１
００ｍｍ／秒のときの圧力損失が１０ｋＰａ以下になる
ように構成する。

【００２３】ここで、原液流路材の厚みが０．７５〜
１．０ｍｍの範囲であり、かつ、膜ユニット横断面に占
める原液流路材の介在空間の面積の総和が膜ユニット全
横断面積の５５〜６５％の範囲である場合には、十分な
膜面積を確保しつつ圧力損失を抑えることができ、ま
た、ファウリング物質が原液流路材の流路を狭めた場合
でも、流路幅が従来の流体分離素子よりも広いため、圧
力損失の上昇を低く抑え、安定した運転を長時間維持す
ることができる。

【００２４】そして、このような流体分離膜モジュール
においては、圧力容器に送られた原液が、上流側から下
流側へ流れるとともに分離膜を透過する。上流側の流体
分離素子で分離膜を透過しなかった原液が、下流側の流
体分離素子の原液となる。それぞれ流体分離素子では次
のように流体分離が行われる。

【００２５】上述の図１に示す流体分離素子１を用いた
場合、原液２０は、テレスコープ防止板１０の原液流路
１１を通過して膜ユニット７へと進む。膜ユニット７に
送られた原液２０は、原液流路材６を下流へと進みなが
ら分離膜４を通過して塩などの不要成分が除去され、透
過液流路材５によって形成された透過液流路へと流れ
る。そして、透過液流路に流入した透過液２１は、流体
分離素子１の中心に位置する集水管３へと進み、集水孔
２を通して集水管３内に到達する。集水管３内に到達し
た透過液２１は、その集水管３内を下流側へと流れる。
１つの流体分離素子１で処理されなかった原液（濃縮
液）は次の流体分離素子１へと進み、下流側の流体分離
素子１で処理される。

【００２６】本発明の流体分離膜モジュールにおける分
離膜４は、低い運転圧力でも高い塩排除性能、造水性能
を有するため、０．５ＭＰａ以下の圧力で運転する。こ
れにより、低圧力運転による造水コスト削減と配管や圧
力容器などの設備の耐圧性を下げ設備投資を削減するこ
とができるだけでなく、分離膜４の単位膜面積当たりの
透過液量が多くなりファウリングの発生を防ぐことがで
きる。

【００２７】また、運転開始時の流体分離膜モジュール
の圧力損失を０．１ＭＰａ以下、より好ましくは０．０
８ＭＰａとなるようにし、原液の５０％以上の透過液を
得る場合には、原液からより多くの透過水を得ることが
でき、また、下流側の流体分離素子に到達した原液の運
転圧力を高く保つことができるため、下流側における透
過液量と透過液の水質の低下を防ぐことができる。さら
に、集水管内の圧力を運転圧力の１０％以下、好ましく
は７％以下すると、流体分離に必要な有効圧力を高く維
持することができるので、低い圧力で運転できる。集水
管内の圧力を低くするためには、集水管の内径を大きく
することが好ましいが、膜面積の低下が起こるため、集
水管内径を２３〜３５ｍｍにすることが好ましい。

【００２８】

【実施例】実施例１図１に示す本発明のスパイラル型流体分離素子を圧力容
器に６本直列に収容した流体分離膜モジュールを用い、
温度２５℃、ｐＨ６．５の０．０５％塩化ナトリウム水
溶液を運転圧力０．５ＭＰａ、回収率５０％の条件で処
理して造水を行い、そのときの分離膜モジュールとして
の圧力損失、造水量、透過液の水質および最上流・最下
流の流体分離素子の膜透過流束の測定を行った。

【００２９】なお、分離膜としては、温度２５℃、ｐＨ
６．５、食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水とし
て圧力０．５ＭＰａで３０分間運転した後の膜透過流束
が０．７５ｍ³／ｍ²・日、塩排除率が９９．３％の特性
を有するものを用いた。また、原液流路材としては、厚
さ０．８ｍｍ、長軸長さ５．７ｍｍ、原液の流れ方向に
対する原液流路材の網脚角度が±３５度の、図２に示す
ような菱目型の原液流路材を使用した。

【００３０】また、流体分離素子としては、径が２００
ｍｍ、長さ１ｍ、充填膜面積３６ｍ ²、見かけ流速１０
０ｍｍ／秒のときの圧力損失が８ｋＰａであった。

【００３１】結果を表１に示す。表１から流体分離膜モ
ジュールとして圧力損失が非常に小さいことがわかる。比較例１原液流路材として、厚さ０．７ｍｍ、長軸長さ４ｍｍ、
原液流れ方向に対する原液流路材の網脚角度が±４５度
の菱目型をした原液流路材を用い、流体分離素子の見か
け流速１００ｍｍ／秒のときの圧力損失を１８ｋＰａに
した以外は実施例１と同様の流体分離膜モジュールで造
水を行い、圧力損失、造水量、透過液の水質および最上
流・最下流の流体分離素子の膜透過流束の測定を行っ
た。

【００３２】結果を表１に示す。実施例１に比べ、流体
分離膜モジュールとしての圧力損失が非常に大きく、造
水量が少ない。また、圧力損失が大きいことから、最下
流側の流体分離素子の膜透過流束が少なくなっているこ
とがわかる。実施例と同レベルの造水量を得るために
は、運転圧力を高くする必要があり、この場合最上流の
流体分離素子の膜透過流束が高くなるためファウリング
を生じやすくなる。比較例２充填膜面積を３８ｍ²と増大させた以外は比較例１と同
様にして造水を行い、そのときの流体分離膜モジュール
としての圧力損失、造水量、透過液の水質および最上流
・最下流の流体分離素子の膜透過流束の測定を行った。
なお、見かけ流速１００ｍｍ／秒のときの圧力損失は比
較例１と同じ１８ｋＰａであった。

【００３３】結果を表１に示す。実施例１に比べ、流体
分離膜モジュールとしての圧力損失が非常に大きくなっ
ている。造水量は、流体分離素子の充填膜面積が多いに
も関わらず実施例１よりも少なくなっている。つまり、
充填膜面積の増大効果はなく、実施例１のほうが充填膜
面積を削減することができるためコストダウンが可能で
ある。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【発明の効果】本発明においては、分離膜が、ｐＨ６．
５，食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水として温
度２５℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転した後
の膜透過流束が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排除率が
９９．０％以上の性能を有するものであるので、低圧力
運転による造水コスト削減や、配管、圧力、容器などの
設備の耐圧性を下げ設備投資を削減することができる。

【００３６】また、流体分離素子は、見かけ平均流速１
００ｍｍ／秒のときの圧力損失が１０ｋＰａ以下である
ので、圧力損失による下流側流体分離素子における有効
圧力の低下を防ぎ、透過液量、透過液質の低下を防ぐと
ともに、上流側の流体分離素子におけるファウリングお
よび圧力損失上昇を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る流体分離素子の一部
展開概略斜視図である。

【図２】図１の流体分離素子に用いる原液流路材の概略
平面図である。

【符号の説明】

１：流体分離素子２：集水孔３：集水管４：分離膜５：透過液流路材６：原液流路材７：膜ユニット１０：テレスコープ防止板１１：原液流路２０：原液２１：透過液３０：網脚 α ：網脚の角度Ｙ：長軸長さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集水管の周りに分離膜、透過液流路材およ
び原液流路材を含む膜ユニットを有し、分離膜は、ｐＨ
６．５、食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水とし
て温度２５℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転し
た後の膜透過流速が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排除
率が９９．０％以上の性能を有する流体分離素子であっ
て、見かけ平均流速１００ｍｍ／秒のときの圧力損失が
１０ｋＰａ以下であることを特徴とする流体分離素子。
【請求項２】原液流路材の厚みが０．７５〜１．０ｍｍ
の範囲にあり、かつ、膜ユニットの横断面における原液
流路材の介在空間の面積の総和が膜ユニットの全横断面
積の５５〜６５％の範囲にある、請求項１に記載の流体
分離素子。
【請求項３】集水管の周りに分離膜、透過液流路材およ
び原液流路材を含む膜ユニットを有する流体分離素子を
圧力容器に少なくとも４個収容してなり、分離膜は、ｐ
Ｈ６．５、食塩濃度１，５００ｐｐｍの水溶液を原水と
して温度２５℃、運転圧力０．５ＭＰａで３０分間運転
した後の膜透過流速が０．６５ｍ³／ｍ²・日以上、塩排
除率が９９．０％以上の性能を有し、流体分離素子は、
見かけ平均流速１００ｍｍ／秒のときの圧力損失が１０
ｋＰａ以下の特性を有していることを特徴とする流体分
離膜モジュール。
【請求項４】原液流路材の厚みが０．７５〜１．０ｍｍ
の範囲であり、かつ、膜ユニット横断面における原液流
路材の介在空間の面積の総和が膜ユニットの全横断面積
の５５〜６５％の範囲にある、請求項４に記載の流体分
離膜モジュール。
【請求項５】請求項３または４に記載の流体分離膜モジ
ュールを０．５ＭＰａ以下の運転圧力で運転する造水方
法。
【請求項６】運転開始時の流体分離膜モジュールの圧力
損失を０．１ＭＰａ以下とし、原液の５０％以上の透過
液を得る、請求項５に記載の造水方法。
【請求項７】集水管内の圧力を運転圧力の１０％以下の
圧力に維持しながら運転する、請求項５または６に記載
の造水方法。