JP2007111674A - スパイラル型分離膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】集水管の外径および内径を変えることなしに、集水管内の透過水流れによる圧力損失を低減できるスパイラル型分離膜エレメントを提供する。
【解決手段】分離膜１、供給側流路材２及び透過水側流路材３が積層状態で有孔の集水管５の周囲にスパイラル状に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記集水管５の内周面には、集水管５の軸方向に沿って延びる複数の溝５ａを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体中に存在している成分を分離するスパイラル型分離膜エレメントに関し、詳しくは集水管内の透過水流れの際の圧力損失を小さくするために、集水管の内周面に溝を有するスパイラル型分離膜エレメントに関する。

従来のスパイラル型分離膜エレメントの構造としては、分離膜、供給側流路材及び透過水側流路材の積層体の単数または複数が、有孔の中空状集水管の周りに巻きつけられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。通常、複数本のエレメントが、圧力容器であるベッセル内に装填して使用される。

この膜エレメントでは、原液が一端面より供給され、供給側流路材に沿って流動しながら分離膜で濾過され、他端面より濃縮液が取り出される。分離膜で濾過された透過液は透過側流路材に沿って流動して、集水管の孔から流入し、集水管内を流動する。このように集水管中には透過水が流れるために、圧力損失（流動抵抗）が発生する。この圧力損失は運転中のエネルギーロスであるために少ないほうがよい。

集水管の圧力損失を少なくする方法として、集水管の内径を大きくする手段が考えられる。しかし、スパイラル型分離膜エレメントの外径は決まっているので、集水管内径を大きくするとエレメントに使用される分離膜の膜面積が小さくなり、エレメントの透過性能が低下するという問題がある。そのために、集水管径を大きくする対策には制限がある。

また、集水管の管の厚みを小さくして内径だけを大きくする方法も考えられるが、集水管の強度の低下や、集水管を連結するジョイント等の径を変える必要が生じるなどの問題があるため、好ましい方法とは言えない。

特開平１０−１３７５５８号公報

そこで、本発明の目的は、集水管の外径および内径を変えることなしに、集水管内の透過水流れによる圧力損失を低減できるスパイラル型分離膜エレメントを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、集水管の圧力損失について鋭意研究したところ、集水管の内周面に軸方向に沿って延びる複数の溝を設けることによって、透過水流れによる圧力損失を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、分離膜、供給側流路材及び透過水側流路材が積層状態で有孔の集水管の周囲にスパイラル状に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記集水管の内周面には、集水管の軸方向に沿って延びる複数の溝を有することを特徴とする。

本発明によると、集水管の内周面に溝を設けるだけであるため、集水管の外径および内径が変わらないので、分離膜の膜面積が小さくならず、集水管の強度の低下などの問題も生じない。また、集水管の内周面にその軸方向に沿って延びる複数の溝を有するため、そのリブレット効果により乱流摩擦抵抗を減少させることによって、透過水流れによる圧力損失を低減できる。

上記において、前記複数の溝が、集水管の軸方向に平行な溝であることが好ましい。このように、軸方向に平行な溝であると、圧力損失をより低減することができ、加工性も良好になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のスパイラル型分離膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図である。図２は、本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図である。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、集水管の内周面の形状のみが従来のものと異なっており、他の構造、材料などについては、従来のスパイラル型分離膜エレメントの構成をいずれも適用することができる。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、図１〜２に示すように、分離膜１、供給側流路材２、および透過側流路材３が積層状態で、有孔の集水管５の周囲にスパイラル状に巻回されている。この円筒状巻回体Ｒに対し、通常、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられている。封止部には、両端封止部１１と外周側封止部１２が含まれる。

図２に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は、両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在する。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。

円筒状巻回体Ｒは、分離膜１と供給側流路材２と透過側流路材３とを積層状態で有孔の集水管５の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体Ｒを形成する工程と、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部１１，１２を形成する工程とによって製造することができる。

具体的には、例えば、図１に示す実施形態により製造することができる。図１の（ａ）は、分離膜ユニットの組立斜視図であり、（ｂ）は、分離膜ユニットを積層して巻回する前の状態を示す正面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと透過側流路材３とを積み重ね、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐ封止部を形成するための接着剤４，６を、透過側流路材３の軸方向両端部および巻回終端部に塗布したユニットを準備する。このとき、分離膜１の折目部分に保護テープを貼り付けても良い。

分離膜１には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ガス分離膜、脱ガス膜などが使用できる。供給側流路材２には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。透過側流路材３には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。

接着剤４，６としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、ホットメルト接着剤等、従来公知の何れの接着剤も使用することができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、この分離膜ユニットＵの複数を積層し、有孔の集水管５の周囲にスパイラル状に巻回した後、接着剤などを熱により硬化等させることで、円筒状巻回体Ｒを得る。その際、集水管５の周囲の封止を同時に行っても良い。円筒状巻回体Ｒは、軸方向の長さを調整するために、必要に応じて両端部がトリミング等される。

分離膜ユニットＵを積層する際の数量は、必要とされる透過流量に応じて決まるものであり、１層以上であれば良いが、操作性を考慮すると１００層程度が上限である。なお、分離膜ユニットＵの積層数量が大きいほど、各分離膜ユニットＵの巻回回数が少なくなる。

本発明は、上記のようなスパイラル型分離膜エレメントにおいて、集水管５の内周面には、集水管５の軸方向に沿って延びる複数の溝５ａを有することを特徴とする。有孔の集水管５は、管の周囲に開孔を有するものであり、集水管５の材質は、樹脂、金属など何れでもよいが、ノリル樹脂、ＡＢＳ樹脂等のプラスチックが通常使用される。

溝５ａは透過水流れ方向（図３の矢印の方向）と沿うように、集水管５の軸方向に沿って延びるものであり、集水管の軸方向に平行な溝が好ましいが、軸方向から若干傾斜した溝（らせん状溝など）などでもよい。また、溝５ａは、集水管５の全長に設けてもよいが、流速が大きくなる下流側だけに設けたり、装着に関与する集水管５の端部を除く、中間部だけに溝５ａを設けてもよい。中間部だけに溝５ａを設けてることによって、従来の端部のシール構造をそのまま使用できるという効果が生じる。

溝５ａの形状としては、何れの断面形状を有するものでもよく、例えば図３〜図６に示すような、Ｖ溝、Ｕ溝、角溝、半円溝等が挙げられる。このような溝５ａの形状は、集水管５を押出成形する際に形成したり、成型後に溝加工することによって形成することができる。なお、溝５ａの本数は、集水管５の内径にもよるが、１０〜２０００本が好ましい。
溝５ａの各部の寸法は、圧力損失の低減効果と壁面近傍の流れ変化を考慮すると、次の寸法が好ましい。即ち、溝５ａの高さｈは、０．０５〜３ｍｍが好ましく、０．１〜１．５ｍｍがより好ましい。幅Ｗは０．０５〜６ｍｍが好ましく、０．１〜３ｍｍがより好ましい。間隔ｉは、０〜５ｍｍが好ましい。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、通常、外装材により拘束されて拡径しない構造になっているが、外装材は、円筒状巻回体の表面に単数又は複数のシートを巻回することができる。外装材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ガラス繊維布等が使用できる。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントには、更に変形（テレスコープ等）を防止するための有孔の端部材や、シール材、補強材などを必要に応じて設けることができる。

［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、分離膜ユニットを作製する際、分離膜を２つ折りにして供給側流路材を挟み込む例を示したが、連続する分離膜を用いて、これを交互に折り返して、供給側流路材および透過側流路材を挟み込むことも可能である。その場合、両端封止部に対してのみ、透過側流路材の切除部を設ければよい。

（２）前述の実施形態では、図１に示すように、供給側流路材２を挟みこむように二つ折りにした分離膜１の上に、透過側流路材３を重ねて、接着剤４，６を塗布する例で説明したが、本発明では、透過側流路材３の上に二つ折りにした分離膜１を重ねその上に接着剤４，６を塗布することも可能である。

（３）前述の実施形態では、図１に示すように、複数の分離膜ユニットＵを使用して、複数の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造する例を示したが、本発明では、 1組の分離膜ユニットＵを使用して、１枚の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造してもよい。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。

（１）圧力損失
圧力損失は、集水管の入口と出口に圧力計を設置し、その差圧を圧力損失として求めた。

（２）透過性能
運転開始から１０分後、透過水配管中の流量計の値を１日当たりの流量（ｍ^３／ｄ）に換算した。

（３）阻止率
透過液を通水してから１０分後にサンプリングし、そのＮａＣｌ濃度から原液濃度を基準にして、阻止率（％）を求めた。

比較例１
内径２６．７ｍｍ、外径３８ｍｍのノリル樹脂製の集水管を使用し、膜面積３７ｍ^２のスパイラル型逆浸透膜エレメント（内径２８．６５ｍｍ）を作った。このエレメントの性能を１５００ｐｐｍＮａＣｌ水溶液で、圧力１．５５ＭＰａの条件下で評価したところ、透過性能４１ｍ^３／ｄ、阻止率は９９．７７％であった。この時、集水管中の圧力損失は２４２Ｐａであった。

実施例１
高さ（ｈ）1ｍｍ、幅（ｗ）１．３ｍｍ、間隔（ｉ）０ｍｍの軸方向に平行なＶ溝を内周面に６９本有するノリル樹脂製集水管を使用した以外は、比較例と同じエレメントを作った。このエレメントの性能を１５００ｐｐｍＮａＣｌで、１．５５ＭＰａの条件下で評価したところ、透過性能４２ｍ^３／ｄ、阻止率は９９．７０％であった。この時、集水管中の圧力損失は２２３Ｐａであった。このように、集水管内部にＶ溝を設置することで、圧力損失が７．８％低減できた。

本発明のスパイラル型分離膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図 本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図 本発明のスパイラル型分離膜エレメントの要部の一例を示す斜視図 本発明のスパイラル型分離膜エレメントの要部の他の例を示す断面図 本発明のスパイラル型分離膜エレメントの要部の他の例を示す断面図 本発明のスパイラル型分離膜エレメントの要部の他の例を示す断面図

符号の説明

１ 分離膜
２ 供給側流路材
３ 透過側流路材
４ 接着剤
５ 集水管
５ａ 溝
６ 接着剤

Claims (2)

1. 分離膜、供給側流路材及び透過水側流路材が積層状態で有孔の集水管の周囲にスパイラル状に巻回されたスパイラル型分離膜エレメントにおいて、
   前記集水管の内周面には、集水管の軸方向に沿って延びる複数の溝を有することを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。
2. 前記複数の溝が、集水管の軸方向に平行な溝である請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。

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