(57)【要約】【課題】高圧下の運転においても安定的かつ信頼性の高い分離操作が実現可能な、分離膜エレメントを提供すること。【解決手段】本発明は、集水管と、分離膜リーフと、を備え、上記集水管の周囲に、上記分離膜リーフが巻囲されており、上記分離膜リーフは、分離膜の面Ａ１と、分離膜の面Ａ２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間に配置された、複数のシート状材料と、からなり、上記シート状材料は、平滑面及び／又は突起物が形成された突起物形成面、を有し、上記面Ａ１及び上記面Ａ２は、上記平滑面と接しており、上記突起物形成面同士が対向し、かつ、上記分離膜対の厚み方向から観察した場合において、上記突起物の長手方向が交差する部位を有する、分離膜エレメントを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集水管と、分離膜リーフと、を備え、
前記集水管の周囲に、前記分離膜リーフが巻囲されており、
前記分離膜リーフは、分離膜の面Ａ１と、分離膜の面Ａ２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、前記面Ａ１と前記面Ａ２との間に配置された、複数のシート状材料と、からなり、
前記シート状材料は、平滑面及び／又は突起物が形成された突起物形成面、を有し、
前記面Ａ１及び前記面Ａ２は、前記平滑面と接しており、
前記突起物形成面同士が対向し、かつ、
前記分離膜対の厚み方向から観察した場合において、前記突起物同士が、それぞれの長手方向が交差するように接触する部位を有する、分離膜エレメント。
【請求項２】
前記面Ａ１及び面Ａ２は、透過側の面である、請求項１記載の分離膜エレメント。
【請求項３】
集水管と、分離膜リーフと、を備え、
前記集水管の周囲に、前記分離膜リーフが巻囲されており、
前記分離膜リーフは、突起物が形成された分離膜の面Ａ１と、同じく突起物が形成された分離膜の面Ａ２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対からなり、
前記分離膜対の厚み方向から観察した場合において、前記突起物同士が、それぞれの長手方向が交差するように接触する部位を有する、分離膜エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離膜エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
海水及びかん水等に含まれるイオン性物質を除くための技術においては、近年、省エネルギー及び省資源のためのプロセスとして、分離膜エレメントによる分離法の利用が拡大している。分離膜エレメントによる分離法に使用される分離膜は、その孔径や分離機能の点から、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、正浸透膜に分類される。これらの分離膜は、例えば海水、かん水及び有害物を含んだ水等からの飲料水の製造、工業用超純水の製造、並びに、排水処理及び有価物の回収等に用いられており、目的とする分離成分及び分離性能によって使い分けられている。
【０００３】
分離膜エレメントとしては様々な形態があるが、分離膜の一方の面に原水を供給し、他方の面から透過水を得る点では共通している。分離膜エレメントは、束ねられた多数の分離膜を備えることで、１個の分離膜エレメント当たりの膜面積が大きくなるように、つまり１個の分離膜エレメント当たりに得られる透過水の量が大きくなるように形成されている。分離膜エレメントとしては、用途や目的に合わせて、スパイラル型、中空糸型、プレート・アンド・フレーム型、回転平膜型又は平膜集積型等の各種の形状が提案されている。
【０００４】
例えば、逆浸透ろ過には、スパイラル型分離膜エレメントが広く用いられる。スパイラル型分離膜エレメントは、集水管と、集水管の周囲に巻囲された分離膜リーフとを備える。分離膜リーフは、原水を分離膜表面へ供給する供給側流路材、及び／又は、原水に含まれる成分を分離する分離膜及び分離膜を透過し原水から分離された透過水を集水管へと導くための透過側流路材が、積層されることで形成される。スパイラル型分離膜エレメントは、原水に高い圧力を付与することができるので、透過水を多く取り出すことができる点で好ましく用いられている。
【０００５】
しかし原水に高い圧力を付与すると、分離膜を支持する透過側流路材にも応力が負荷されるばかりでなく、透過側流路材の間に分離膜が落ち込み、分離膜が損傷する、あるいは、透過側流路が閉塞するといった問題が生じる。このような問題を抑制すべく、透過側流路材を複数配置して透過側流路を広げる（特許文献１）、又は、分離膜と透過側流路材との間に平滑シートを挟み込む（特許文献２）、といった技術が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１５−０６４７５２号公報
【特許文献２】特開平０９−１４１０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の技術では、高圧下の運転における信頼性は未だ十分でなく、上記のような問題が顕在化するリスクが払拭されていないのが現状であった。
【０００８】
そこで本発明は、高圧下の運転においても安定的かつ信頼性の高い分離操作が実現可能な、分離膜エレメントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、集水管と、分離膜リーフと、を備え、上記集水管の周囲に、上記分離膜リーフが巻囲されており、上記分離膜リーフは、分離膜の面Ａ１と、分離膜の面Ａ２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間に配置された、複数のシート状材料と、からなり、上記シート状材料は、平滑面及び／又は突起物が形成された突起物形成面、を有し、上記面Ａ１及び上記面Ａ２は、上記平滑面と接しており、上記突起物形成面同士が対向し、かつ、上記分離膜対の厚み方向から観察した場合において、上記突起物の長手方向が交差する部位を有する、分離膜エレメントを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高圧下の運転においても透過側流路の閉塞等が効果的に抑制可能であり、安定的かつ信頼性の高い分離操作を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の分離膜エレメントが備える、シート状材料の一態様を示す模式図である。
【図２】本発明の分離膜エレメントが備える、シート状材料の他の態様を示す模式図である。
【図３】本発明の分離膜エレメントの一態様を示す、展開斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
本発明の分離膜エレメントは、集水管と、分離膜リーフと、を備え、上記集水管の周囲に、上記分離膜リーフが巻囲されている。
【００１４】
図３は、本発明の分離膜エレメントの一態様を示す、展開斜視図である。図１における分離膜エレメント５では、集水管４の周囲に、シート状材料である供給側流路材１、分離膜２及びシート状材料である透過側流路材３が積層された、分離膜リーフが巻囲されている。
【００１５】
本発明の分離膜エレメントが備える集水管は、中空の筒状部材であり、その側面に複数の孔を有している。集水管の素材としては、例えば、樹脂又は金属が挙げられるが、コストや耐久性に優れるため、ノリル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂又はＡＢＳ樹脂等の樹脂が好ましい。
【００１６】
本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフは、分離膜の面Ａ１と、分離膜の面Ａ２とが、互いに対向するように配置された、分離膜対と、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間に配置された、複数のシート状材料と、からなる。
【００１７】
本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成する分離膜は、分離対象に応じてその種類を適宜選択すればよく、例えば、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜又は精密ろ過膜が挙げられるが、例えば逆浸透膜としては、基材と、多孔性支持体と、分離機能層とを備える、複合半透膜が挙げられる。
【００１８】
上記の基材としては、例えば、ポリエステル又は芳香族ポリアミドを主成分とする布帛が挙げられる。
【００１９】
上記の多孔性支持体としては、例えば、基材上に形成された、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリエステル、セルロース系ポリマー、ビニルポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン又はポリフェニレンオキシド等の高分子層が挙げられる。
【００２０】
上記の分離機能層としては、例えば、イオン等の分離が十分行なえるほど緻密であり、かつ、水との親和性が高い、ポリアミドを主成分とする分離機能層が挙げられる。ポリアミドを主成分とする分離機能層は、例えば、多官能性アミンと多官能性酸ハロゲン化物との界面重縮合により形成することができる。
【００２１】
上記の分離膜対は、互いに独立した２枚の分離膜を組み合わせて形成しても構わないし、１枚の分離膜を折り畳んで形成しても構わないし、あるいは、１枚の分離膜を巻囲する際に、分離膜の面Ａ１と、分離膜の面Ａ２とを、互いに対向させながら巻囲して形成しても構わない。
【００２２】
本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成するシート状材料は、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間に、その複数枚が挟まれるように配置される。シート状材料を挟んだ分離膜の端部同士は、適宜封止される。その「封止」の方法としては、例えば、接着剤若しくはホットメルト等による接着、加熱若しくはレーザ等による融着、又は、ゴム製シートを挟みこむ方法が挙げられるが、簡便な接着による封止が好ましい。
【００２３】
シート状材料は、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間隙に形成される流路における、いわゆる供給側流路材又は透過側流路材としての機能を果たすものであるが、その具体的な態様としては例えば、ネット、トリコット、不織布又はフィルムのような多孔性シートが挙げられる。
【００２４】
本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成するシート状材料は、平滑面及び／又は突起物が形成された突起物形成面、を有し、上記面Ａ１及び上記面Ａ２は、上記平滑面と接している必要がある。すなわち、本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成する複数のシート状材料の内、少なくとも一枚は、平滑面を有していることが必要となる。
【００２５】
ここでシート状材料が有する「平滑面」とは、上記面Ａ１と上記面Ａ２との対向方向におけるシート状材料の表面の平均高低差が、２０μｍ以内である面をいう。シート状材料の表面の平均高低差は、上記面Ａ１及び上記面Ａ２との対向方向におけるシート状材料の断面（以下、「断面Ｃ」）をマイクロスコープで観察し、対象となる表面について無作為に選択した３０箇所の高低差を測定し、それらを平均した値をいう。
【００２６】
一方で、シート状材料が有する「突起物形成面」とは、上記の「平滑面」以外の面であり、かつ、その表面に突起物が形成された面をいう。なおここでいう「突起物」とは、上記断面Ｃにおける最大高低差が、５０μｍ以上である部位をいう。
【００２７】
例えば分離膜エレメントに巻囲された分離膜リーフに原水が供給され、高い圧力がかけられると、流路材同士、あるいは流路材の表面の高低差部分に分離膜が落ち込み、流路が閉塞される一因となる。これに対し本発明の分離膜エレメントでは、シート状材料が有する、高低差の極めて少ない平滑面が、上記面Ａ１及び上記面Ａ２にそれぞれ接するように配置されることで、高圧下での分離膜の落ち込みを大幅に抑制することが可能となる。
【００２８】
一方で、上記面Ａ１及び上記面Ａ２の間に配置された複数のシート状材料は、それらの上記突起物形成面同士が対向し、かつ、上記分離膜対の厚み方向（すなわち、上記面Ａ１と上記面Ａ２との対向方向）から観察した場合において、上記突起物同士が、それぞれの長手方向が交差するように接触する部位を有する必要がある。このような構成が採られることで、突起物同士の適度な接触によりシート状材料の変形が大幅に抑制されるばかりでなく、閉塞が生じづらい、より広い流路を確保することができる。なお、突起物同士が、それぞれの長手方向が交差するように接触する角度としては、８０〜１００°が好ましく、８５〜９５°がより好ましい。なお、突起物の長手方向が交差する角度とは、突起物の長手方向の交差により形成される鋭角及び鈍角の内、集水管の長手方向に対し垂直な方向を含む方の角度をいう。
【００２９】
シート状材料の突起物形成面同士を対向させる態様としては、片面のみが突起物形成面（他方の面は平滑面）のシート状材料を二枚、上記面Ａ１と上記面Ａ２との間に配置し、突起物形成面同士を対向させても構わないし、さらにそのような二枚のシート状材料の間に、両面又は片面が突起物形成面のシート状材料を一枚以上配置しても構わない。
【００３０】
高圧下において流路材の間に分離膜が落ち込み、分離膜が損傷する、あるいは、透過側流路が閉塞するといった問題は、特に透過側流路において起こりやすいため、上記面Ａ１及び上記面Ａ２が、透過側の面である場合において、本発明の分離膜エレメントはより好適にその効果を発揮することができる。
【００３１】
上記面Ａ１及び上記面Ａ２が透過側の面である場合、供給側流路に配置される流路材としては、本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成するシート状材料以外の材料が用いられても構わない。そのような材料としては、例えば、ネット、凹凸シート、又は、分離膜の透過側の面に直接固着した突起物が挙げられる。またそのような材料の素材としては、成形が容易な熱可塑性樹脂が好ましく、安価でかつ分離膜の損傷を引き起こしづらい、ポリエチレン又はポリプロピレンがより好ましい。
【００３２】
また上記面Ａ１及び上記面Ａ２が透過側の面である場合、透過側流路の抵抗を大幅に抑制可能であることから、供給側流路の厚み（供給側流路材の厚み）を薄くしても、分離膜エレメントの造水量を高い水準に維持可能であり、分離膜に充填可能な分離膜リーフの数、すなわち、１個の分離膜エレメント当たりの膜面積を大きくすることができる。
【００３３】
本発明の分離膜エレメントが備える分離膜リーフを構成するシート状材料に形成される突起物の態様としては、例えば、図１に示すようなドット状、又は、図２に示すようなストライプ状が挙げられる。図１又は図２に例示されるシート状材料の厚みＨ０は、シート状材料をマイクロスコープで観察して測定することができる。なお上記のシート状材料の厚みＨ０は、上記面Ａ１と上記面Ａ２との対向方向における厚みである。特にストライプ状であれば、突起物形成面同士が対向した際に、突起物が流路を広く確保することができるため好ましい。
【００３４】
図１又は図２に例示されるシート状材料に形成された突起物の最大高低差、すなわち高さＨ１は、上記のように５０μｍ以上である必要があるが、透過側流路の厚み（透過側流路材の厚み）を薄くして１個の分離膜エレメント当たりの膜面積を大きくするため、８００μｍ以下であることが好ましい。また図１又は図２に例示されるシート状材料に形成された複数の突起物同士の間隔、すなわち溝幅Ｄは、流路として適度な空間を保持するため、０．０２〜０．８０ｍｍであることが好ましい。なお突起物についての高さＨ１、溝幅Ｄ、溝長さＥ、及び、突起物の長手方向の長さ、すなわち突起物の長さＸは、シート状材料をマイクロスコープで観察して測定することができる。なお上記の突起物の高さＨ１は、上記面Ａ１と上記面Ａ２との対向方向における長さであり、上記の溝幅Ｄ、溝長さＥ及び突起物の長さＸは、上記面Ａ１と上記面Ａ２との対向方向に対し垂直な方向における長さである。
【００３５】
図１又は図２に例示されるシート状材料に形成された突起物の長手方向に対し垂直な方向における最大長さ、すなわち突起物の幅Ｗは、流路として適度な空間を保持しつつ、高圧下でも突起物の形状を維持するため、０．１〜１．０ｍｍが好ましく、０．３〜０．７ｍｍがより好ましい。なお上記の突起物の幅Ｗも、シート状材料をマイクロスコープで観察して測定することができる。
【００３６】
本発明の分離膜エレメントが備えるシート状材料に突起物を形成する方法としては、例えば、溶融した樹脂をシート状の不織布の表面に所定形状に吐出して凝固させる方法が挙げられる。また、不織布やフィルム等の表面を、エンボス加工又はインプリント加工により凹凸成形して、突起物を形成しても構わない。
【００３７】
（分離膜の透過側面への突起物の固着）
溶融した樹脂を、分離膜の透過側面に所定形状に吐出して凝固させてもよい。この場合、シート状材料が不要であるため、シート状材料厚みの分だけ突起物を高くすることができ、透過側流路を広げてエレメントの造水性を更に向上させることができる。つまり、分離膜の面Ａ１及び分離膜の面Ａ２に突起物が形成されていれば、上記面Ａ１及び上記面Ａ２の間には複数のシート状材料を配さずとも流路が安定に確保され、造水性を高めることができる。
【実施例】
【００３８】
以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。
【００３９】
（シート状材料の形状）
シート状材料の厚みＨ０、並びに、シート状材料に形成された突起物の高さＨ１、幅Ｗ、長さＸ、溝幅Ｄ、溝長さＥは、シート状材料をマイクロスコープ（キーエンス社；製高精度形状測定システムＫＳ−１１００）で観察して測定した。
【００４０】
（平滑面／突起物形成面の判定）
シート状材料について上記の断面Ｃを露出させ、その断面Ｃをマイクロスコープ（キーエンス社製；ワンショット３Ｄ測定マクロスコープ（ＶＲ−３０００））を用いて下記条件で観察し、平滑面／突起物形成面の判定をした。
【００４１】
測定倍率  ：  ４０倍
測定範囲  ：  ５ｍｍ×５ｍｍ
フィルター  ：  ガウシアン
終端効果の補正  ：  有効
Ｓフィルター  ：  なし
Ｌフィルター  ：  ０．８ｍｍ
（造水量）
分離膜エレメントについて、原水として１０．６質量％、ｐＨ６．５のＮａＣｌ水溶液を用い、運転圧力１２．５ＭＰａ、温度２５℃の条件下で１５分間運転した後に１分間の透過水のサンプリングを行い、そのサンプリング量を１日当たりの透過水量（ガロン）に換算して、造水量（ＧＰＤ（ガロン／日））として表した。
【００４２】
（回収率）
造水量の測定において、所定の時間に供給した原水量ＶＦとし、同時間での透過水量をＶＰとして、ＶＰ／ＶＦ×１００の値を算出して回収率とした。
【００４３】
（ＴＤＳ除去率）
造水量の測定における１分間のサンプリングに供した原水及びサンプリングした透過水について、総溶解固形分（以下、「ＴＤＳ」）の濃度を伝導率測定によりそれぞれ測定し、下記式からＴＤＳ除去率を算出した。
【００４４】
ＴＤＳ除去率（％）＝１００×｛１−（透過水中のＴＤＳ濃度／原水中のＴＤＳ濃度）｝
（シート状材料Ａの作製）
スリット幅０．４ｍｍ、ピッチ０．８ｍｍの櫛形シムを装填したアプリケーターを用いて、バックアップロールを２０℃に温度調節しながら、厚み０．０６ｍｍ、目付量３２ｇ／ｍ２の不織布の表面に、高結晶性ポリプロピレン（ＭＦＲ１０００ｇ／１０分、融点１６１℃）６０質量％と低立体規則性ポリプロピレン（出光興産株式会社製；Ｌ−ＭＯＤＵ・Ｓ４００）４０質量％とからなる組成物ペレットを、樹脂温度２０５℃、走行速度１０ｍ／分の条件で、複数の直線からなるストライプ状に塗布し、シート状材料Ａを作製した。
【００４５】
（シート状材料Ｂの作製）
無延伸ポリプロピレンフィルム（東レ製；トレファン（登録商標））の表面に、インプリント加工及びＣＯ２レーザ加工を施し、複数の直線からなるストライプ状の突起物と貫通孔とを有するシート状材料Ｂを作製した。
【００４６】
上記のインプリント加工としては、切削加工により溝を形成した金属金型で無延伸ポリプロピレンフィルムを挟み込み、１４０℃／１５ＭＰａの条件で２分間保圧し、４０℃まで冷却した後に金型から取り出した。
【００４７】
また上記のＣＯ２レーザ加工としては、３Ｄ−Ａｘｉｓ  ＣＯ２レーザマーカ（ＭＬＺ９５００）を用いて、シート状材料の平滑面から、突起物形成面のストライプ状の突起物間の凹部に対してレーザ加工をして、貫通孔を設けた。
【００４８】
（実施例１）
抄紙法で製造されたポリエステル繊維からなる不織布（通気度１．０ｃｃ／ｃｍ２／ｓｅｃ）上に、ポリスルホンの１５質量％ジメチルホルムアミド溶液を１８０μｍの厚みで室温（２５℃）にてキャストし、直ちに純水中に浸漬して５分間放置し、基材上に多孔性支持層が形成された多孔性支持体を作製した。
【００４９】
多孔性支持体を、２−エチルピペラジンが２．０質量％、ドデシルジフェニルエーテルジスルホン酸ナトリウムが１００ｐｐｍ、リン酸３ナトリウムが１．０質量％になるようにそれぞれ溶解した水溶液に１０秒間浸漬した後、エアーノズルから窒素を吹き付けて多孔性支持体の表面から余分な水溶液を除去した。続いて、７０℃に加温した、トリメシン酸クロリドの０．２質量％ｎ−デカン溶液を多孔性支持体の表面に均一に塗布し、６０℃の膜面温度で３秒間保持した後に、膜面温度を１０℃まで冷却し、そのまま空気雰囲気下で１分間放置して分離機能層を形成した後、これを垂直に保持して液切りした。得られた分離膜は、６０℃の純水で２分間洗浄した。
【００５０】
このように得られた分離膜を裁断して、供給側の面同士が内側になるように折り畳み、その間へネット（厚み０．５２ｍｍ、ピッチ２．２ｍｍ×２．２．ｍｍ）を供給側流路材として配置した。この分離膜の表面（透過側の面）に、透過側流路材として表１に示すシート状材料Ｉ及びＩＩを、それぞれの突起物形成面同士が対向するようにして配置した。
【００５１】
これをステンレス製集水管（幅：１０００ｍｍ、径：１８ｍｍ、孔数４０個×直線状１列）に、スパイラル状に巻囲し、最後に両端のエッジカットを行って、分離膜エレメントを作製した。
【００５２】
作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、回収率５％の条件で造水量及びＴＤＳ除去率をそれぞれ評価したところ、結果は表１のとおりであった。
【００５３】
【表１】
2020138196.tif 000003
【００５４】
（実施例２〜７）
シート状材料を表１のとおりにした以外は全て実施例１と同様にして、分離膜エレメントを作製した。
【００５５】
作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、実施例１と同条件で評価したところ、結果は表１のとおりであった。
【００５６】
（実施例８）
透過側流路材としてシート状材料を用いず、分離膜の透過側の面に設け、突起物の高さを０．３ｍｍにしたこと以外は全て実施例１と同様にして、分離膜エレメントを作製した。
【００５７】
作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、実施例１と同条件で評価したところ、結果は表１のとおりであった。
【００５８】
（比較例１〜３）
シート状材料を表１のとおりにした以外は全て実施例１と同様にして、分離膜エレメントを作製した。
【００５９】
作製した分離膜エレメントを圧力容器に入れて、上述の条件で評価したところ、結果は表１のとおりであった。
【００６０】
比較例１〜３では、分離膜対の透過側の面のいずれかがシート状材料の平滑面と接していないことから、高圧下において流路材の間に分離膜が落ち込み、透過側流路が閉塞して造水量が大幅に低下した。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の分離膜エレメントは、海水、かん水及び水道水の脱塩の他に、工業用水の処理等に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１  供給側流路材
２  分離膜
３  透過側流路材
４  集水管
５  分離膜エレメント
６  突起物
７  凹部
８  シート状材料
Ｄ  溝幅
Ｅ  溝長さ
Ｈ０  シート状材料の厚み
Ｈ１  シート状材料の突起物の高さ
Ｗ  シート状材料の突起物の幅
Ｘ  シート状材料の突起物の長さ
【図１】
2020138196.tif 000004
【図２】
2020138196.tif 000005
【図３】
2020138196.tif 000006