(57)【要約】【課題】システムの省スペース化に寄与する分離膜モジュールを提供する【解決手段】本発明の分離膜モジュール１００は、容器１０と、容器１０の内部に配置された脱気膜エレメント２０と、容器１０の内部に配置され、処理されるべき液体の流れ方向において脱気膜エレメント２０の上流又は下流に位置しており、液体をろ過する分離膜エレメント６０と、を備えている。分離膜エレメント６０は、例えば、ＮＦ膜エレメント又はＲＯ膜エレメントである。【選択図】図１
2020116503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器の内部に配置された脱気膜エレメントと、
前記容器の内部に配置され、処理されるべき液体の流れ方向において前記脱気膜エレメントの上流又は下流に位置しており、前記液体をろ過する分離膜エレメントと、
を備えた、分離膜モジュール。
【請求項２】
前記容器は、円筒状の容器本体と、前記容器本体の第１端部に取り付けられた第１端板と、前記容器本体の第２端部に取り付けられた第２端板とを有し、
前記第１端板に少なくとも１つのポートが設けられ、
前記第２端板に少なくとも１つのポートが設けられ、
前記第１端板に設けられた前記少なくとも１つのポート又は前記第２端板に設けられた前記少なくとも１つのポートは、前記脱気膜エレメントの内部を真空引きするためのポートを含む、請求項１に記載の分離膜モジュール。
【請求項３】
前記第１端板に設けられた前記少なくとも１つのポートの数が前記第２端板に設けられた前記少なくとも１つのポートの数と異なる、請求項２に記載の分離膜モジュール。
【請求項４】
前記容器は、円筒状の容器本体を有し、
前記容器の内部と外部とを連通するためのポートが前記容器の第１端部と前記容器の第２端部とのそれぞれに設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
【請求項５】
前記容器は、処理されるべき液体の流れ方向に関して、左右非対称の構造を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
【請求項６】
前記分離膜エレメントは、前記液体の流れ方向において前記脱気膜エレメントの上流に位置している、請求項１から５のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
【請求項７】
前記分離膜エレメントは、前記液体の流れ方向において前記脱気膜エレメントの下流に位置している、請求項１から５のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
【請求項８】
前記脱気膜エレメントは、シェルと、前記配管の周囲において前記シェルの内部に配置された複数の中空糸膜と、を有し、
前記液体は、前記シェルの内部に導入され、前記複数の中空糸膜に接触したのち、前記シェルから排出される、請求項１から７のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
【請求項９】
前記分離膜エレメントは、ＮＦ膜エレメント又はＲＯ膜エレメントである、請求項１から８のいずれか１項に記載の分離膜モジュール。
【請求項１０】
ＭＦ膜及びＵＦ膜から選ばれる少なくとも１つを有する第１分離膜モジュールと、
処理されるべき液体の流れ方向において前記第１分離膜モジュールの下流に配置され、前記第１分離膜モジュールの透過液を処理する第２分離膜モジュールと、
を備え、
前記第２分離膜モジュールが請求項１から９のいずれか１項に記載の分離膜モジュールである、液体処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離膜モジュール及びそれを用いた液体処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
分離膜モジュールは、海水の淡水化、純水の製造、廃水処理、油田注入水の製造などを目的としたシステムに使用されている。得られた水の用途によっては、水から酸素、二酸化炭素などの溶存物質が十分に除去されている必要がある。
【０００３】
特許文献１には、減圧脱気によって所定の溶存酸素濃度以下になるように水から溶存酸素を除去した後、脱酸素剤によって溶存酸素を更に除去することが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、１段目の第１逆浸透膜装置と２段目の第２逆浸透膜装置との間に脱気膜が設けられた水処理システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２２４３２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１７／１４１７１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
分離膜モジュールを用いたシステムには、占有面積の制約が課されることがある。
【０００７】
本発明は、システムの省スペース化に寄与する分離膜モジュール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】
【０００８】
本発明は、
容器と、
前記容器の内部に配置された脱気膜エレメントと、
前記容器の内部に配置され、処理されるべき液体の流れ方向において前記脱気膜エレメントの上流又は下流に位置しており、前記液体をろ過する分離膜エレメントと、
を備えた、分離膜モジュールを提供する。
【０００９】
別の側面において、本発明は、
ＭＦ膜及びＵＦ膜から選ばれる少なくとも１つを有する第１分離膜モジュールと、
処理されるべき液体の流れ方向において前記第１分離膜モジュールの下流に配置され、前記第１分離膜モジュールの透過液を処理する第２分離膜モジュールと、
を備え、
前記第２分離膜モジュールが上記本発明の分離膜モジュールである、液体処理システムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の分離膜モジュールによれば、脱気膜エレメントと分離膜エレメントとが共通の容器の内部に配置されているので、システムの省スペース化に寄与する。本発明の分離膜モジュールを使用することによってシステムの占有面積を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る分離膜モジュールの構成図である。
【図２】図２は、図１に示す分離膜モジュールに使用された脱気膜エレメントの断面図である。
【図３】図３は、図１に示す分離膜モジュールに使用された逆浸透エレメントの部分展開図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る分離膜モジュールの構成図である。
【図５】図５は、変形例１に係る分離膜モジュールの構成図である。
【図６】図６は、変形例２に係る分離膜モジュールの構成図である。
【図７】図７は、変形例３に係る脱気膜エレメントの断面図である。
【図８】図８は、変形例４に係る脱気膜エレメントの断面図である。
【図９】図９は、変形例５に係る脱気膜エレメントの断面図である。
【図１０】図１０は、変形例６に係る脱気膜エレメントの断面図である。
【図１１】図１１は、図１に示す分離膜モジュールを用いた水処理システムの構成図である。
【図１２】図１２は、図４に示す分離膜モジュールを用いた水処理システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る分離膜モジュール１００の構成を示している。分離膜モジュール１００は、容器１０、脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０を備えている。脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０は、容器１０の内部に配置されている。脱気膜エレメント２０は、処理されるべき液体の流れ方向において分離膜エレメント６０の上流に位置している。脱気膜エレメント２０は、液体から溶存気体を除去する。分離膜エレメント６０は、処理されるべき液体の流れ方向において脱気膜エレメント２０の下流に位置している。脱気膜エレメント２０によって脱気された液体が分離膜エレメント６０に流入する。分離膜エレメント６０は、液体をろ過して透過液と濃縮液とを生成する。分離膜モジュール１００は、脱気膜エレメント２０と分離膜エレメント６０とのハイブリッドモジュールでありうる。
【００１４】
分離膜モジュール１００によって処理（脱気及びろ過）されるべき液体としては、水が挙げられる。本明細書では、簡単のため、液体の代表として「水」の用語を使用する。処理されるべき水を「原水」と表記することがある。
【００１５】
本実施形態の分離膜モジュール１００によれば、脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０が１つの共通の容器１０に収められている。これらが別々の容器に収められている場合と比較して、分離膜モジュール１００は、軽量かつコンパクトである。したがって、分離膜モジュール１００は、軽量化及び省スペース化が求められるシステムに適している。また、エレメント毎の交換も可能であるため、分離膜モジュール１００はメンテナンス性にも優れている。
【００１６】
本実施形態によれば、分離膜エレメント６０は、水の流れ方向において脱気膜エレメント２０の下流に位置している。このような位置関係によれば、脱気膜エレメント２０において水の溶存酸素濃度が低減されるので、分離膜エレメント６０におけるバイオファウリングを抑制する効果がある。なぜなら、バイオファウリングの原因となる微生物の増殖速度は、溶存酸素濃度に依存するからである。
【００１７】
容器１０は、容器本体１１、第１端板１２及び第２端板１４を有する。容器本体１１は、円筒状の形状を有し、十分な耐圧性を有する材料で作られている。第１端板１２は、容器本体１１の第１端部１１ａに取り付けられている。第１端板１２によって容器本体１１の第１端部１１ａが閉じられている。第２端板１４は、容器本体１１の第２端部１１ｂに取り付けられている。第２端板１４によって容器本体１１の第２端部１１ｂが閉じられている。
【００１８】
容器本体１１は、ポート１０ａ及びポート１０ｂを有する。ポート１０ａ及びポート１０ｂのそれぞれは、容器１０の内部と外部とを連通するためのポートである。ポート１０ａは、容器本体１１の第１端部１１ａに設けられている。ポート１０ｂは、容器本体１１の第２端部１１ｂに設けられている。長手方向において、容器本体１１は、左右対称である。容器本体１１の長手方向は、水の流れ方向に一致している。このような構造によれば、従来の分離膜モジュールに使用された容器本体を設計変更することなく、本実施形態に使用できる。このことは、分離膜モジュール１００のコストの増大を抑制することに寄与する。ただし、本実施形態において、ポート１０ａには栓４０が取り付けられており、これにより、ポート１０ａが閉じられている。本実施形態では、ポート１０ａは使用されないポートである。ポート１０ａは省略されていてもよい。
【００１９】
本実施形態において、容器１０は、処理されるべき水の流れ方向に関して、左右非対称の構造を有する。左右非対称の構造は、本実施形態の分離膜モジュール１００に適している。本実施形態では、５つのポートが容器１０に存在し、これにより、左右非対称の構造が実現されている。
【００２０】
第１端板１２に少なくとも１つのポートが設けられていてもよく、第２端板１４に少なくとも１つのポートが設けられていてもよい。第１端板１２に設けられた少なくとも１つのポートは、脱気膜エレメント２０の内部を真空引きするためのポート１３を含む。第１端板１２に設けられた少なくとも１つのポートは、さらに、脱気膜エレメント２０の内部に処理されるべき水を導くためのポート１５を含む。第２端板１４に設けられた少なくとも１つのポートは、分離膜エレメント６０で生成された透過水を容器１０の外部に導くためのポート１６を含む。このような構造によれば、脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０を適切に機能させることが可能となる。
【００２１】
第１端板１２に設けられた少なくとも１つのポートの数は、第２端板１４に設けられた少なくとも１つのポートの数と異なっていてもよい。本実施形態では、第１端板１２に２つのポート１３及び１５が設けられ、第２端板１４にポート１６が１つのみ設けられている。このような構造によれば、従来の分離膜モジュールに使用された容器本体を使用しつつ、脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０を適切に機能させることが可能となる。
【００２２】
本実施形態では、ポート１５が原水入口として使用される。ポート１０ｂが濃縮水出口として使用される。ポート１３が真空引き口として使用される。ポート１６が透過水出口として使用される。
【００２３】
各ポート１０ａ，１０ｂ，１３，１５及び１６は、単なる開口部でもよく、図１に示すようなノズル状の開口部であってもよい。
【００２４】
分離膜モジュール１００は、脱気膜エレメント２０と容器１０との間の隙間に配置された支持体１８をさらに備えている。支持体１８は、例えば、リング状の形状を有し、脱気膜エレメント２０を周方向に取り囲んでいる。支持体１８によって、脱気膜エレメント２０が容器１０の内面に固定されている。本実施形態では、２つの支持体１８によって容器１０の内部における脱気膜エレメント２０の位置決めがなされている。
【００２５】
支持体１８は、水の通過を許容する貫通孔１８ｈを有する。この貫通孔１８ｈは、容器１０の内部に閉じられた空間が形成されることを防止する。容器１０の内部に水が導入されたとき、貫通孔１８ｈを通じて空気が抜けるので容器１０の内部に閉じられた空間が形成されない。その結果、圧力差によって脱気膜エレメント２０が破損することを防止できる。支持体１８は、貫通孔１８ｈを１つのみ有していてもよく、複数の貫通孔１８ｈを有していてもよい。
【００２６】
分離膜モジュール１００は、分離膜エレメント６０と容器１０との間の隙間に配置されたブラインシール１７をさらに備えている。ブラインシール１７は、例えば、リング状の形状を有し、分離膜エレメント６０を周方向に取り囲んでいる。ブラインシール１７によって、分離膜エレメント６０が容器１０の内面に固定されている。ブラインシール１７によって容器１０の内部空間が仕切られており、これにより、原水と濃縮水との混合が防止されている。
【００２７】
図２は、図１に示す分離膜モジュール１００に使用された脱気膜エレメント２０の断面を示している。
【００２８】
脱気膜エレメント２０は、シェル２１、複数の中空糸膜２４、入口２６ｐ及び出口２７ｑを有する。複数の中空糸膜２４は、シェル２１の内部に配置されている。脱気されるべき水は、入口２６ｐを通じてシェル２１の内部に導入され、複数の中空糸膜２４に接触したのち、出口２７ｑを通じてシェル２１から排出される。これにより、酸素、二酸化炭素などの溶存気体が水から除去される。シェル２１は、円筒状の形状を有する。シェル２１の一端部に入口２６ｐが位置し、シェル２１の他端部に出口２７ｑが位置している。
【００２９】
脱気膜エレメント２０は、例えば、外圧式の中空糸膜エレメントである。外圧式の中空糸膜エレメントでは、処理されるべき水が中空糸膜２４の外部を流れ、中空糸膜２４の内部が真空引きされる。ただし、脱気膜エレメント２０として、内圧式の中空糸膜エレメントを採用してもよい。内圧式の中空糸膜エレメントでは、処理されるべき水が中空糸膜の内部を流れ、中空糸膜の外部が真空引きされる。
【００３０】
脱気膜エレメント２０は、シェル２１の内部に配置された第１管２６をさらに有する。第１管２６は、シェル２１の内部から外部に延びている。第１管２６の周囲に中空糸膜２４が配置されている。第１管２６の一端部によって脱気膜エレメント２０の入口２６ｐが形成されている。第１管２６は、長手方向に沿って設けられた複数の貫通孔２６ｈを有する。破線矢印で示すように、第１管２６に導入された水は、これらの貫通孔２６ｈを通じてシェル２１の内部に拡散し、中空糸膜２４に接触する。
【００３１】
脱気膜エレメント２０は、シェル２１の内部に配置された第２管２７をさらに有する。第２管２７は、シェル２１の内部から外部に延びている。第２管２７の周囲に中空糸膜２４が配置されている。第２管２７の一端部によって脱気膜エレメント２０の出口２７ｑが形成されている。第２管２７は、長手方向に沿って設けられた複数の貫通孔２７ｈを有する。破線矢印で示すように、シェル２１の内部に導入された水は、これらの貫通孔２７ｈを通じて第２管２７に集められてシェル２１の外部へと排出される。
【００３２】
本実施形態では、第１管２６は、入口管かつ分配管の役割を果たす。第２管２７は、出口管かつ集水管の役割を果たす。ただし、水の流れ方向は、図２に示す方向と逆方向であってもよい。後述する第２実施形態では、第１管２６は、出口管かつ集水管の役割を果たす。第２管２７は、入口管かつ分配管の役割を果たす。第１管２６の中心軸は、第２管２７の中心軸に一致していてもよく、一致していなくてもよい。
【００３３】
脱気膜エレメント２０は、シェル２１の内部において第１管２６と第２管２７との間に配置された邪魔板２９をさらに有する。邪魔板２９は、例えば、平面視で円板の形状を有する。第１管２６の他端部及び第２管２７の他端部は、それぞれ、邪魔板２９に突き合わされて閉じられている。複数の中空糸膜２４は邪魔板２９を貫通している。邪魔板２９は、中空糸膜２４が配置された内部空間を上流空間２１ａと下流空間２１ｂとに仕切っている。第１管２６が上流空間２１ａに面している。第２管２７が下流空間２１ｂに面している。シェル２１と邪魔板２９との間には水が流通可能な隙間２１ｔが確保されている。水は、第１管２６を通じて上流空間２１ａに供給され、隙間２１ｔを通じて下流空間２１ｂに流入する。
【００３４】
脱気膜エレメント２０は、蓋２２、第１注型部２３及び第２注型部２５をさらに有する。第１注型部２３は、シェル２１の一端部に嵌め合わされており、シェル２１を閉じている。蓋２２及び第２注型部２５は、シェル２１の他端部に嵌め合わされており、シェル２１を閉じている。蓋２２と第２注型部２５との間には、真空引き空間２１ｓが確保されている。第１注型部２３は、複数の中空糸膜２４の一端部を束ねている。第２注型部２５は、複数の中空糸膜２４の他端部を束ねている。複数の中空糸膜２４の一端部は、第１注型部２３によって閉じられている。複数の中空糸膜２４の他端部は、第２注型部２５の端面まで延びており、第２注型部２５の端面において真空引き空間２１ｓに向かって開口している。第１注型部２３及び第２注型部２５は、例えば、隣り合う中空糸膜２４と中空糸膜２４との間に充填された樹脂によって構成されている。蓋２２には、真空引き空間２１ｓを外部から真空引きできるように、真空引き用のポート２８が設けられている。ポート２８は、単なる開口部でもよく、ノズル状の開口部であってもよい。
【００３５】
図２を参照して説明した脱気膜エレメント２０は、中空糸膜２４と水との効率的な接触を可能にするので、分離膜モジュール１００に適している。ただし、分離膜モジュール１００に使用可能な脱気膜エレメントの構造は特に限定されない。
【００３６】
図３は、図１に示す分離膜エレメント６０を部分的に展開して示している。図３に示す例において、分離膜エレメント６０はスパイラル型膜エレメントである。ただし、分離膜エレメント６０の構造はスパイラル型に限定されない。
【００３７】
分離膜エレメント６０は、分離膜６２、原水スペーサ６３及び透過水スペーサ６４によって構成されている。詳細には、分離膜エレメント６０は、複数の分離膜６２、複数の原水スペーサ６３及び複数の透過水スペーサ６４によって構成されている。
【００３８】
複数の分離膜６２は、互いに重ね合わされ、袋状の構造を有するように３辺において封止され、集水管６１に巻きつけられている。袋状の構造の外部に位置するように、分離膜６２と分離膜６２との間に原水スペーサ６３が配置されている。原水スペーサ６３は、分離膜６２と分離膜６２との間に原水流路としての空間を確保している。袋状の構造の内部に位置するように、分離膜６２と分離膜６２との間に透過水スペーサ６４が配置されている。透過水スペーサ６４は、分離膜６２と分離膜６２との間に透過水流路としての空間を確保している。透過水流路が集水管６１に連通するように、袋状の構造の開口端が集水管６１に接続されている。
【００３９】
集水管６１は、各分離膜６２を透過した透過水を集めて分離膜エレメント６０の外部に導く役割を担っている。集水管６１には、その長手方向に沿って複数の貫通孔６１ｈが所定間隔で設けられている。透過水は、これらの貫通孔６１ｈを通じて集水管６１の中に流入する。原水は、集水管６１の長手方向に平行に原水流路を流れる。
【００４０】
分離膜エレメント６０は、分離膜６２として、ＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜又はＲＯ膜を有する。ＭＦ膜（Microfiltration membrane）は、０．０５〜１０μｍ程度の大きさの微粒子及び微生物を液体から分離することを目的とした膜である。ＵＦ膜（Ultrafiltration membrane）は、ＭＦ膜によって除去することができない大きさの微粒子、及び、１０００〜３０００００程度の分子量を有する溶質を液体から分離することを目的とした膜である。ＲＯ膜（Reverse Osmosis membrane）は、逆浸透現象によって水を透過水流路に移行させることによって水と溶質とを分離することを目的とした膜である。ＮＦ膜（Nanofiltration membrane）は、ＲＯ膜の一種であって、Ｎａ+及びＣｌ-のような１価イオンを通し、ＳＯ42-のような多価イオンを阻止する。
【００４１】
分離膜エレメント６０は、典型的には、ＮＦ膜を有するＮＦ膜エレメント又はＲＯ膜を有するＲＯ膜エレメントである。分離膜エレメント６０は、比較的低い操作圧力で使用されるＮＦ膜モジュールであってもよい。例えば、分離膜エレメント６０における操作圧力が１．５〜２．５ＭＰａであるとき、脱気膜エレメント２０は、耐圧性を向上させるための特別な構成を必要としない。
【００４２】
本明細書において、「ＮＦ膜」とは、２０００ｍｇ／リットルの濃度のＮａＣｌ水溶液を操作圧力１．５ＭＰａ、２５℃の条件でろ過したときのＮａＣｌ阻止率が５％以上９３％未満である分離膜を意味する。「ＲＯ膜」とは、２０００ｍｇ／リットルの濃度のＮａＣｌ水溶液を操作圧力１．５ＭＰａ、２５℃の条件でろ過したときのＮａＣｌ阻止率が９３％以上である分離膜を意味する。
【００４３】
ＮａＣｌ阻止率は、例えば、ＪＩＳ Ｋ ３８０５（１９９０）に従って測定されうる。具体的には、所定のサイズの分離膜にＮａＣｌ水溶液を操作圧力１．５ＭＰａで透過させる。３０分間の準備段階の終了後、電導度測定装置を用いて透過水及び供給水の電導度測定を行い、その結果及び検量線（濃度−電導度）から、下記式に基づいてＮａＣｌ阻止率を算出できる。電導度測定に代えて、イオンクロマトグラフィー法によって濃度測定を行ってもよい。
・ＮａＣｌ阻止率（％）＝（１−（透過水のＮａＣｌ濃度／供給水のＮａＣｌ濃度））×１００
【００４４】
図１に示すように、脱気膜エレメント２０のポート２８は、ポート１３に接続されている。脱気膜エレメント２０の第１管２６は、ポート１５に接続されている。脱気膜エレメント２０の第２管２７は、容器１０の内部空間に向かって開口している。本実施形態では、第２管２７から容器１０の内部空間に水が放射状に流出するように、第２管２７の端部に分配器４１が取り付けられている。分離膜エレメント６０の集水管６１の上流端には、栓４０が取り付けられている。これにより、集水管６１の上流端が閉じられている。分離膜エレメント６０の集水管６１の下流端は、ポート１６に接続されている。
【００４５】
次に、分離膜モジュール１００を用いた水処理について説明する。図１において、破線は、水の流れを示している。
【００４６】
ポート１３に真空ポンプを接続して真空ポンプを動作させると、真空引き空間２１ｓを通じて、脱気膜エレメント２０の内部、詳細には、中空糸膜２４の内部が真空引きされる。
【００４７】
原水は、ポート１５を通じて脱気膜エレメント２０に導かれる。脱気膜エレメント２０において、中空糸膜２４の外表面に原水が接触することによって、酸素などの溶存気体が原水から除去される。
【００４８】
脱気された原水は、脱気膜エレメント２０から排出されたのち、容器１０の内部空間を通じて分離膜エレメント６０の原水流路に流入する。分離膜エレメント６０は、原水をろ過して透過水と濃縮水とを生成する。透過水は、分離膜エレメント６０の集水管６１に集められ、ポート１６を通じて分離膜モジュール１００の外部に導かれる。濃縮水は、分離膜エレメント６０の原水流路から流出し、容器１０の内部空間及びポート１０ｂを通じて分離膜モジュール１００の外部に導かれる。
【００４９】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る分離膜モジュール１０２の構成を示している。分離膜モジュール１０２は、第１実施形態の分離膜モジュール１００と本実施形態の分離膜モジュール１０２との相違点は、脱気膜エレメント２０と分離膜エレメント６０との位置関係にある。第１実施形態の分離膜モジュール１００と本実施形態の分離膜モジュール１０２との間の共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
【００５０】
本実施形態において、分離膜エレメント６０は、水の流れ方向において脱気膜エレメント２０の上流に位置している。分離膜エレメント６０で生成された濃縮水は、脱気されることなく、脱気膜エレメント２０の外部を通って容器１０から排出される。分離膜エレメント６０で生成された透過水のみが脱気膜エレメント２０に導入されて脱気される。この場合、脱気膜エレメント２０の脱気能力を削減できる。言い換えれば、脱気膜エレメント２０に使用された中空糸膜の表面積を削減することが許容される。このことは、軽量及びコンパクトな分離膜モジュール１０２の実現に寄与する。
【００５１】
第１端板１２には、ポート１５が設けられている。本実施形態において、ポート１５には栓４０が取り付けられており、これにより、ポート１５が閉じられている。本実施形態では、分離膜エレメント６０の集水管６１の上流端がポート１５に接続されており、栓４０が間接的に集水管６１を閉じている。なお、ポート１５は省略されてもよい。
【００５２】
第２端板１４には、脱気膜エレメント２０の内部を真空引きするためのポート１３が設けられている。第２端板１４には、さらに、透過水を容器１０の外部に導くためのポート１６が設けられている。このような構造によれば、脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０を適切に機能させることが可能となる。
【００５３】
本実施形態では、ポート１０ａに栓４０が取り付けられておらず、ポート１０ａが原水入口として使用される。ポート１０ｂが濃縮水出口として使用される。ポート１３が真空引き口として使用される。ポート１６が透過水出口として使用される。
【００５４】
分離膜モジュール１０２において、分離膜エレメント６０の集水管６１は、脱気膜エレメント２０の第２管２７に連通している。詳細には、コネクタ４２によって集水管６１が第２管２７に接続されている。集水管６１の中心軸は、脱気膜エレメント２０の第２管２７の中心軸に一致している。このような構造によれば、分離膜エレメント６０で生成された透過水は、容器１０の内部空間を経由することなく、脱気膜エレメント２０に直接かつスムーズに導入される。
【００５５】
脱気膜エレメント２０のポート２８は、ポート１３に接続されている。脱気膜エレメント２０の第１管２６は、ポート１６に接続されている。脱気膜エレメント２０の第２管２７は、分離膜エレメント６０の集水管６１に接続されている。
【００５６】
分離膜モジュール１０２において、原水は、ポート１０ａ及び容器１０の内部空間を通じて分離膜エレメント６０の原水流路に導かれる。分離膜エレメント６０は、原水をろ過して透過水と濃縮水とを生成する。濃縮水は、分離膜エレメント６０の原水流路から流出し、容器１０の内部空間及びポート１０ｂを通じて分離膜モジュール１０２の外部に導かれる。支持体１８は、濃縮水の流通を許容する貫通孔１８ｈを有している。そのため、濃縮水は、貫通孔１８ｈを通じて脱気膜エレメント２０の外周面と容器１０の内周面との間の隙間を流れ、ポート１０ｂへと進むことができる。
【００５７】
透過水は、分離膜エレメント６０の集水管６１に集められ、容器１０の内部空間を経ることなく脱気膜エレメント２０の第２管２７に流入する。脱気膜エレメント２０において、中空糸膜２４の外表面に原水が接触することによって、酸素などの溶存気体が原水から除去される。脱気された透過水は、脱気膜エレメント２０の第１管２６及びポート１６を通じて分離膜モジュール１００の外部に導かれる。
【００５８】
（変形例）
図１及び図４を参照して説明した実施形態において、容器１０の内部に脱気膜エレメント２０及び分離膜エレメント６０がそれぞれ１つのみ配置されている。ただし、これらのエレメントの数は特に限定されない。図５は、変形例１に係る分離膜モジュール１０４の構成を示している。図６は、変形例２に係る分離膜モジュール１０６の構成を示している。
【００５９】
図５に示すように、分離膜モジュール１０４は、脱気膜エレメント２０及び複数の分離膜エレメント６０を備えている。本変形例では、容器１０の内部において、水の流れ方向における最も上流に脱気膜エレメント２０が配置されている。複数の分離膜エレメント６０は、脱気膜エレメント２０の下流に配置され、互いに直列に接続されている。
【００６０】
図６に示すように、分離膜モジュール１０６は、脱気膜エレメント２０及び複数の分離膜エレメント６０を備えている。本変形例では、容器１０の内部において、水の流れ方向における最も下流に脱気膜エレメント２０が配置されている。複数の分離膜エレメント６０は、脱気膜エレメント２０の上流に配置され、互いに直列に接続されている。
【００６１】
容器１０の内部には、複数の脱気膜エレメント２０が配置されていてもよい。容器１０の内部には、少なくとも１つの脱気膜エレメント２０と少なくとも１つの分離膜エレメント６０とが配置されていてもよい。
【００６２】
水処理システムの分離膜モジュールは、例えば、円筒状の長い容器内に配置された６又は７本の分離膜エレメントを備えている。広い膜面積を有する分離膜エレメントを使用すれば、水処理能力の大幅な低下を避けながら分離膜エレメントの数を減らし、脱気膜エレメント２０を配置するためのスペースを確保することが可能である。つまり、実施形態の分離膜モジュール１００の構造は、脱気膜エレメントと広い膜面積を有する複数の分離膜エレメントとの組み合わせに適している。
【００６３】
直径８インチ、長さ４０インチのスパイラル型膜エレメントが４４０ｆｔ2以上の膜面積を有しているとき、このスパイラル型膜エレメントは広い膜面積を有していると言える。膜面積の上限は特に限定されず、例えば、６００ｆｔ2である。
【００６４】
図７は、変形例３に係る脱気膜エレメント２０Ｂの断面を示している。図２に示す脱気膜エレメント２０に代えて、図７に示す脱気膜エレメント２０Ｂが各分離膜モジュールに使用されてもよい。
【００６５】
図７に示す脱気膜エレメント２０Ｂは、図２に示す脱気膜エレメント２０の構成に加え、外側シェル３０、蓋３２及び支持体１９をさらに備えている。外側シェル３０は、円筒状の形状を有し、シェル２１（以下、「内側シェル」と称する）を収容している。内側シェル２１と外側シェル３０との間に内側シェル２１を取り囲む真空引き空間２１ｓが確保されている。外側シェル３０の両端は、蓋２２及び蓋３２によって閉じられている。第２管２７は、蓋３２を貫通して脱気膜エレメント２０Ｂの外部まで延びている。本変形例において、真空引き空間２１ｓには、蓋２２と第２注型部２５との間の空間だけでなく、蓋３２と第１注型部２３との間の空間、及び、内側シェル２１の外周面と外側シェル３０の内周面との間の空間も含まれる。
【００６６】
支持体１９は、内側シェル２１と外側シェル３０との間に配置されている。支持体１９は、例えば、リング状の形状を有し、内側シェル２１を周方向に取り囲んでいる。支持体１９によって、内側シェル２１が外側シェル３０の内面に固定されている。本変形例では、２つの支持体１９によって外側シェル３０の内部における内側シェル２１の位置決めがなされている。支持体１９は１つのみ設けられていてもよい。
【００６７】
複数の中空糸膜２４の他端部は、第１注型部２３の端面まで延びており、第１注型部２３の端面において真空引き空間２１ｓに向かって開口している。支持体１９は、気体の通過を許容する貫通孔１９ｈを有する。支持体１９の貫通孔１９ｈを通じて、蓋２２と第２注型部２５との間の空間、蓋３２と第１注型部２３との間の空間、及び、内側シェル２１の外周面と外側シェル３０の内周面との間の空間が連通して真空引き空間２１ｓが形成されている。このような構造によれば、中空糸膜２４の両端を通じて、中空糸膜２４の内部の真空引きが行われるので、効率的な真空引きが可能である。
【００６８】
図８は、変形例４に係る脱気膜エレメント２０Ｃの断面を示している。図２に示す脱気膜エレメント２０に代えて、図８に示す脱気膜エレメント２０Ｃが各分離膜モジュールに使用されてもよい。
【００６９】
本変形例の脱気膜エレメント２０Ｃは、複数の脱気膜エレメント２０Ｂ（図７）を直列に接続することによって構成されうる。脱気膜エレメント２０Ｃは、例えば、２つの脱気膜エレメント２０Ｂを直列に接続することによって構成されている。各分離膜モジュールは、直列に接続された複数の脱気膜エレメントを備えていてもよい。
【００７０】
具体的に、脱気膜エレメント２０Ｃは、外側シェル３０の内部に配置された複数（２つ）の中空糸膜ユニット５０を備えている。中空糸膜ユニット５０は、内側シェル２１、複数の中空糸膜２４、第１管２６、第２管２７、第１注型部２３、第２注型部２５、邪魔板２９及び支持体１９によって構成されている。上流に位置する中空糸膜ユニット５０の第２管２７と下流に位置する中空糸膜ユニット５０の第１管２６とが互いに接続されている。これにより、上流に位置する中空糸膜ユニット５０で脱気された水が下流に位置する中空糸膜ユニット５０に流入してさらに脱気される。上流に位置する中空糸膜ユニット５０の第２管２７と下流に位置する中空糸膜ユニット５０の第１管２６とは、継ぎ目の無い単一の管で構成されていてもよい。真空引き空間２１ｓは、上流の中空糸膜ユニット５０及び下流の中空糸膜ユニット５０を取り囲むように形成されており、支持体１９の貫通孔を通じて真空引き用のポート２８に連通している。本変形例によれば、中空糸膜の表面積を増やすことができるので、溶存気体の濃度をより十分に下げることができる。
【００７１】
図９は、変形例５に係る脱気膜エレメント２０Ｄの断面を示している。図２に示す脱気膜エレメント２０に代えて、図９に示す脱気膜エレメント２０Ｄが各分離膜モジュールに使用されてもよい。
【００７２】
脱気膜エレメント２０Ｄは、蓋３２に設けられた真空引き用のポート２８をさらに備えている。つまり、脱気膜エレメント２０Ｄにおいて、ポート２８は、外側シェル３０を閉じている蓋２２及び蓋３２のそれぞれに設けられている。この点において、本変形例の脱気膜エレメント２０Ｄは、図７に示す脱気膜エレメント２０Ｂと異なる。本変形例の脱気膜エレメント２０Ｄは、第１管２６及び第２管２７の長手方向に関して、左右対称の構造を有していてもよい。この場合、脱気膜エレメント２０Ｄの製造及び運搬が容易であるとともに、分離膜モジュールの組み立ても容易になる。
【００７３】
なお、分離膜モジュールに脱気膜エレメント２０Ｄが１つのみ使用される場合、ポート２８も１つのみ使用される。この場合、蓋２２に設けられたポート２８及び蓋３２に設けられたポート２８の一方は、栓４０を取り付けることによって閉じられていてもよい。
【００７４】
図１０は、変形例６に係る脱気膜エレメント２０Ｅの断面を示している。図２に示す脱気膜エレメント２０に代えて、図１０に示す脱気膜エレメント２０Ｅが各分離膜モジュールに使用されてもよい。
【００７５】
脱気膜エレメント２０Ｅは、複数（例えば２つ）の脱気膜エレメント２０Ｄ（図９）を直列に接続することによって作製されうる。上流の脱気膜エレメント２０Ｄの真空引き用のポート２８が下流の脱気膜エレメント２０Ｄの真空引き用のポート２８に接続されている。
【００７６】
図８を参照して説明した脱気膜エレメント２０Ｃによれば、複数の中空糸膜ユニット５０を収容可能な長い外側シェル３０が必要である。これに対し、本変形例の脱気膜エレメント２０Ｅによれば、外側シェル３０の長さを抑えることが可能である。複数の脱気膜エレメント２０Ｄを個別に作製し、ポート２８同士を接続することによって脱気膜エレメント２０Ｅが得られる。そのため、脱気膜エレメント２０Ｅの製造も容易である。また、本変形例の脱気膜エレメント２０Ｅが使用された分離膜モジュールによれば、特定の脱気膜エレメント２０Ｄのみを交換することも可能である。
【００７７】
（水処理システムの実施形態）
図１１は、図１に示す分離膜モジュール１００を用いた水処理システム２００の構成を示している。水処理システム２００は、例えば、油田への注入水を製造するためのシステムであって、第１分離膜モジュール７０及び第２分離膜モジュール１００を備えている。第２分離膜モジュール１００は、図１を参照して説明した分離膜モジュール１００である。第１分離膜モジュール７０は、ＭＦ膜及びＵＦ膜から選ばれる少なくとも１つを有し、ＭＦ膜及び／又はＵＦ膜を用いて、原水をろ過する。第２分離膜モジュール１００は、第１分離膜モジュール７０の下流に配置され、第１分離膜モジュール７０の透過水を処理する。
【００７８】
注入水は、油田に注入されるべき水であり、海水、河川水、湖水、地下水などの原水から製造される。原水の種類は特に限定されず、原油を採掘したときに得られる随伴水であってもよい。細かいゴミなどを原水から除去するために、原水は、図１１に示されていないフィルタによって予めろ過されていてもよい。
【００７９】
本明細書において、油田には、ガス田及びガス油田も含まれる。油田は、海上油田であってもよく、陸上油田であってもよい。海上油田から原油及び天然ガスを採掘するための海上プラットフォームには数多くの制約が存在する。海上プラットフォームにおいて、各種装置には、コンパクトであること、軽量であること、メンテナンスが容易であることなどが求められる。したがって、第２分離膜モジュール１００を用いた水処理システム２００は、海上油田に特に適している。この場合、注入水は海水から製造される。
【００８０】
水処理システム２００は、殺菌剤注入装置７１をさらに備えていてもよい。殺菌剤注入装置７１は、殺菌剤の濃度が所定値となるように原水に殺菌剤を加えるためのデバイスである。殺菌剤注入装置７１は特に限定されず、典型的には、薬液注入用の定量ポンプである。殺菌剤注入装置７１は、流路７２に殺菌剤を流入させるように構成されている。流路７２は、例えば、原水源（例えば、海）と第１分離膜モジュール７０の入口とを接続している流路である。流路７２は、原水源から第１分離膜モジュール７０への経路上に配置されたタンクを含んでいてもよい。この場合、殺菌剤注入装置７１は、そのタンクに殺菌剤を流入させるように構成されていてもよい。殺菌剤注入装置７１の働きによって、原水に殺菌剤が加えられ、所定の濃度で殺菌剤を含む水が生成される。殺菌剤の濃度は、殺菌剤の種類、原水の種類、原水の温度などの諸条件に応じて適切に調整される。
【００８１】
バイオファウリングの原因となりうる微生物に対する殺菌効果がある限り、殺菌剤の種類は特に限定されない。殺菌剤としては、塩素系殺菌剤が挙げられる。塩素系殺菌剤として、過塩素酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸、それらの金属塩が挙げられる。本実施形態では、殺菌剤に次亜塩素酸が含まれている。次亜塩素酸は、高い殺菌効果を示すこと、安価かつ入手しやすいので推奨される。殺菌剤としての次亜塩素酸は、例えば、水溶液の形で準備され、原水に加えられる。もちろん、複数の成分が殺菌剤に含まれていてもよい。
【００８２】
第１分離膜モジュール７０の型式は特に限定されない。第１分離膜モジュール７０は、中空糸膜モジュールであってもよく、スパイラル型膜エレメントを用いた分離膜モジュールであってもよい。中空糸膜モジュールは、外圧式であってもよく、内圧式であってもよい。外圧式の中空糸膜モジュールでは、処理されるべき水が中空糸の外部を流れ、透過水が中空糸の内部を流れる。内圧式の中空糸膜モジュールでは、処理されるべき水が中空糸の内部を流れ、透過水が中空糸の外部を流れる。
【００８３】
第１分離膜モジュール７０は、透過水と濃縮水とを生成する。第１分離膜モジュール７０で生成された透過水は、流路７３を通じて第２分離膜モジュール１００に供給される。流路７３は、第１分離膜モジュール７０の透過水出口と第２分離膜モジュール１００の原水入口とを接続している。第１分離膜モジュール７０で生成された濃縮水は、原水源に戻されてもよく、中和して廃棄されてもよい。
【００８４】
殺菌剤の大部分は、ＭＦ膜及び／又はＵＦ膜によって阻止されず、第１分離膜モジュール７０を透過する。第１分離膜モジュール７０で生成された透過水には十分な量の殺菌剤が含まれている。そのため、第１分離膜モジュール７０の下流において、第２分離膜モジュール１００におけるバイオファウリングを抑制するために殺菌剤を追加することは必要ではない。
【００８５】
第２分離膜モジュール１００の脱気膜エレメント２０において除去される物質には、水に溶けた酸素及び水に溶けた殺菌剤が含まれる。例えば、殺菌剤として次亜塩素酸が使用されたとき、脱気膜エレメント２０において水から次亜塩素酸が除去され、次亜塩素酸の濃度が低下する。脱気膜エレメント２０において、酸素、二酸化炭素などの溶存気体も水から除去される。
【００８６】
第２分離膜モジュール１００の脱気膜エレメント２０は、水処理システム２００において最も下流に位置する分離膜エレメント６０の上流に位置している。そのため、脱気膜エレメント２０を用いて溶存酸素濃度を下げることによって、注入水用の配管（注入水を油田に送り込むための配管）の腐食を抑制できるだけでなく、分離膜エレメント６０におけるバイオファウリングも十分に抑制できる。なぜなら、バイオファウリングの原因となる微生物の増殖速度は、溶存酸素濃度に依存するからである。また、分離膜エレメント６０に流入する水における殺菌剤の濃度も下がっているので、分離膜エレメント６０に使用された分離膜が殺菌剤から受けるダメージも低減されうる。第１分離膜モジュール７０で処理されるべき水は、脱気膜エレメント２０によって処理される前の水であるものの、殺菌剤が十分に含まれている。そのため、溶存酸素濃度が高かったとしても、第１分離膜モジュール７０におけるバイオファウリングは十分に抑制されうる。
【００８７】
本実施形態によれば、殺菌剤を使用せずに原水を処理して所定の用途の水を得ることも考えられる。
【００８８】
本実施形態では、分離膜エレメント６０の上流において脱気膜エレメント２０を用いて水から溶存物質（酸素及び殺菌剤）が除去されうる。そのため、残留塩素を除去するための還元剤（重亜硫酸ナトリウムなど）を水に加えたり、水を中和するための中和剤を水に加えたりしなくとも、分離膜エレメント６０へのダメージは抑制される。製造された注入水にも還元剤が含まれない。このことは、注入水の製造コストの低減に寄与する。もちろん、還元剤及び／又は中和剤が水に適宜加えられてもよい。
【００８９】
除去された物質は、気体の状態であり、真空ポンプ７５の働きによって真空経路７６を通じて外部に排気される。
【００９０】
脱気された透過水は、第２分離膜モジュール１００から排出され、注入水として、流路７４を通じて油田に供給される。流路７４は、第２分離膜モジュール１００の透過水出口と注入水用の配管とを接続している。第２分離膜モジュール１００で生成された濃縮水は、原水源に戻されてもよく、中和して廃棄されてもよい。
【００９１】
各流路７２，７３及び７４は、少なくとも１つの配管によって構成されている。流路７２，７３及び７４には、必要に応じて、ポンプ、弁、センサなどの機器が設けられていてもよい。
【００９２】
図１２は、図４に示す分離膜モジュール１０２を用いた水処理システム２０２の構成を示している。水処理システム２０２は、第１分離膜モジュール７０及び第２分離膜モジュール１０２を備えている。第２分離膜モジュール１０２は、図４を参照して説明した分離膜モジュール１０２である。脱気膜エレメント２０と分離膜エレメント６０との位置関係が異なることを除き、図１２に示す水処理システム２０２の構成は、図１１に示す水処理システム２００と同じである。
【００９３】
図１〜図１０を参照して説明した分離膜モジュールが適用されるシステムは、油田への注入水を製造するためのシステムに限定されない。純水（超純水を含む）を製造するための水処理システム、海水を淡水化するための水処理システム、廃水を浄化するための水処理システムなどの様々な水処理システムに本実施形態の分離膜モジュールが使用されうる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、海水の淡水化、純水の製造、廃水処理、油田注入水の製造などを目的としたシステムに有用である。
【符号の説明】
【００９５】
１０  容器
１０ａ，１０ｂ，１３，１５，１６  ポート
１１  容器本体
１１ａ  第１端部
１１ｂ  第２端部
１２  第１端板
１４  第２端板
２０，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ  脱気膜エレメント
２１  シェル
２４  中空糸膜
２６  第１管
２７  第２管
６０  分離膜エレメント
６２  分離膜
７０  第１分離膜モジュール
１００，１０２，１０４，１０６  分離膜モジュール
２００，２０２  水処理システム
【図１】
2020116503.tif 000003
【図２】
2020116503.tif 000004
【図３】
2020116503.tif 000005
【図４】
2020116503.tif 000006
【図５】
2020116503.tif 000007
【図６】
2020116503.tif 000008
【図７】
2020116503.tif 000009
【図８】
2020116503.tif 000010
【図９】
2020116503.tif 000011
【図１０】
2020116503.tif 000012
【図１１】
2020116503.tif 000013
【図１２】
2020116503.tif 000014