(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じられた第１側部と、これに対向する閉じられた第２側部と、内部領域と、外部領域とを有する膜ポケットと、第１開口端部と、第２開口端部と、を形成する、渦巻状に巻かれた正浸透膜と、
前記第１開口端部に対し封止するように結合された第１端末キャップであって、少なくとも一つの第１入口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１入口部および前記膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２入口部とを有しており、前記少なくとも一つの第１入口部は前記少なくとも一つの第２入口部から流体的に分離している、第１端末キャップと、
前記第２開口端部に対し封止するように結合された第２端末キャップであって、少なくとも一つの第１出口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１出口部および前記膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２出口部を有しており、前記少なくとも一つの第１出口部は前記少なくとも一つの第２出口部から流体的に分離している、第２端末キャップ
を備える、ことを特徴とする正浸透用の螺旋状に巻かれた膜モジュール。
【請求項２】
前記少なくとも一つの第１入口部は、前記膜ポケットの内部領域に流体的に接続された内腔を有し、前記マニフォールドから分岐して延びる少なくとも一つのチューブを備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記少なくとも一つの第２入口部は、前記少なくとも一つのチューブの外部領域と流体連通している、ことを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記螺旋状に巻かれた正浸透膜の第１及び第２の端末キャップの一方の少なくとも一部分に埋め込み材料が埋め込まれている、ことを特徴とする請求項１から３の何れか一に記載のモジュール。
【請求項５】
前記少なくとも一つの第１入口部から前記少なくとも一つの第１出口部まで前記膜ポケットの内部領域により形成された流体流路に沿って配置された少なくとも一つのスペーサを更に備えている、ことを特徴とする請求項１から４の何れか一に記載のモジュール。
【請求項６】
前記少なくとも一つの第２入口部から前記少なくとも一つの第２出口部まで前記膜ポケットの外部領域により形成された流体流路に沿って配置された少なくとも一つのスペーサを更に備えている、ことを特徴とする請求項１から５の何れか一に記載のモジュール。
【請求項７】
前記少なくとも一つのスペーサの厚さが前記膜モジュールの長手方向軸線に沿って変化する、ことを特徴とする請求項５又は６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記螺旋状に巻かれた正浸透膜を機械的に支持する中央サポートを更に備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記螺旋状に巻かれた正浸透膜は非対称膜である、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記膜ポケットの外部領域は前記螺旋状に巻かれた正浸透膜の拒絶層によって形成されている、ことを特徴とする請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記膜ポケットの内部領域は前記螺旋状に巻かれた正浸透膜の拒絶層によって形成されている、ことを特徴とする請求項９に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの第１端末キャップと第２端末キャップは、接着剤を介して前記膜に結合されている、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１３】
渦巻状に巻かれた正浸透膜モジュールを受容するように構成されたハウジングと；
前記ハウジングの一端部に配設される分配領域であって、前記第１端末キャップの前記少なくとも一つの入口部と流体連通する第１入口部と、前記第１端末キャップの前記少なくとも一つの第２入口部と流体連通する第２入口部と、を備える分配領域と；
前記ハウジングの第２の端部に配設される収集領域であって、前記第２端末キャップの前記少なくとも一つの第１出口部と流体連通する第１出口部と、前記第２端末キャップの前記少なくとも一つの第２出口部と流体連通する第２出口部と、を備える収集領域と、
を更に備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１４】
閉じられた第１側部と、これに対向する閉じられた第２側部と、内部領域と、外部領域とを有する第２膜ポケットと、第１開口端部と、第２開口端部と、を形成する、渦巻状に巻かれた第２の正浸透膜と；
前記渦巻状に巻かれた第２の正浸透膜の前記第１開口端部に対し封止するように結合された第１端末キャップであって、少なくとも一つの第１入口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１入口部および前記第２膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記第２膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２入口部を有する外側部分とを有しており、前記少なくとも一つの第１入口部は前記少なくとも一つの第２入口部から流体的に分離している、第１端末キャップと；
前記渦巻状に巻かれた第２の正浸透膜の前記第２開口端部に対し封止するように結合された第２端末キャップであって、少なくとも一つの第１出口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１出口部および前記第２膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記第２膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２出口部を有しており、前記少なくとも一つの第１出口部は前記少なくとも一つの第２出口部から流体的に分離している、第２端末キャップと、
を更に備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１５】
渦巻状に巻かれた正浸透膜モジュールを受容するように構成されたハウジングと；
前記ハウジングの一端部に配設される分配領域であって、前記第１端末キャップの前記少なくとも一つの第１入口部と流体連通する第１入口部と、前記第１端末キャップの前記少なくとも一つの第２入口部と流体連通する第２入口部と、を備える分配領域と；
前記ハウジングの第２の端部に配設される収集領域であって、前記第２端末キャップの前記少なくとも一つの第１出口部と流体連通する第１出口部と、前記第２端末キャップの前記少なくとも一つの第２出口部と流体連通する第２出口部と、を備える収集領域と、
を更に備えている、ことを特徴とする請求項１４に記載のモジュール。
【請求項１６】
閉じられた第１側部と、これに対向する閉じられた第２側部と、内部領域と、外部領域とを有する膜ポケットと、第１開口端部と、第２開口端部と、を形成する、渦巻状に巻かれた正浸透膜と、
前記第１開口端部に対し封止するように結合された第１端末キャップであって、少なくとも一つの第１入口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１入口部および前記膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第１出口部を有しており、前記少なくとも一つの第１入口部は前記少なくとも一つの第２入口部から流体的に分離している、第１端末キャップと、
前記第２開口端部に対し封止するように結合された第２端末キャップであって、少なくとも一つの第２出口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第２出口部および前記膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２入口部を有しており、前記少なくとも一つの第１出口部は前記少なくとも一つの第２出口部から流体的に分離している、第２端末キャップと、
を備えている、ことを特徴とする正浸透用の螺旋状に巻かれた膜モジュール。
【請求項１７】
渦巻状に巻かれた正浸透膜モジュールを受容するように構成されたハウジングと；
前記ハウジングの一端部に配設される分配領域であって、前記第１端末キャップの前記少なくとも一つの第１入口部と流体連通する入口部と、前記第１端末キャップの前記少なくとも一つの第１出口部と流体連通する出口部と、を備える分配領域と；
前記ハウジングの第２の端部に配設される収集領域であって、前記第２端末キャップの前記少なくとも一つの第１入口部と流体連通する入口部と、前記第２端末キャップの前記少なくとも一つの第２出口部と流体連通する出口部と、を備える収集領域と、
を更に備えている、ことを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記モジュールは圧力リタード浸透システム内に一体化されている、ことを特徴とする請求項１から１７の何れか一に記載のモジュール。
【請求項１９】
閉じられた第１側部と、これに対向する閉じられた第２側部と、内部領域と、外部領域とを有する膜ポケットと、第１開口端部と、第２開口端部と、を形成する、渦巻状に巻かれた正浸透膜と；
前記第１開口端部に対し封止するように結合された第１端末キャップであって、前記膜ポケットの内部領域と流体連通する少なくとも一つの第１入口部と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２入口部とを備え、前記少なくとも一つの第１入口部は前記少なくとも一つの第２入口部から流体的に分離している、第１端末キャップと；
前記第２開口端部に対し封止するように結合された第２端末キャップであって、前記膜ポケットの内部領域と流体連通する少なくとも一つの第１出口部と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２出口部と、を備えた第２端末キャップと；
を有する渦巻状に巻かれた正浸透膜モジュールを備え、
前記正浸透膜モジュールは、前記第１端末キャップと前記第２端末キャップとの間に、分離され実質的に平行なモジュールの長手方向軸線に沿った第１及び第２の流体流路を形成するように構成され配置されており、前記少なくとも一つの第１入口部および前記少なくとも一つの第１出口部は前記第１流体流路に対して流体的に接続され、前記少なくとも一つの第２入口部および前記少なくとも一つの第２出口部は前記第２流体流路に対して流体的に接続されており、前記少なくとも一つの第１出口部は前記少なくとも一つの第２出口部から流体的に分離している、
ことを特徴とする水処理システム。
【請求項２０】
前記少なくとも一つの第１入口部に流体的に接続された第１溶液源と、前記少なくとも一つの第２入口部に流体的に接続された第２溶液源とを更に備える、ことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１溶液源は塩水の源である、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第２溶液源は抜き出し側の溶液の源でなる、ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記抜き出し側の溶液は、アンモニアの方が含有量が多くモル比が１対１よりも大きい、アンモニア及び二酸化炭素でなる、ことを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの第１入口部での第１溶液の流速および前記少なくとも一つの第２入口部での第２溶液の流速の少なくとも一方を制御するように構成された制御システムを更に備えている、ことを特徴とする請求項１９から２３の何れか一に記載のシステム。
【請求項２５】
前記少なくとも一つの第１及び第２の出口部の一方に流体的に接続された分離システムを更に備えている、ことを特徴とする請求項１９から２４の何れか一に記載のシステム。
【請求項２６】
前記システムは、前記少なくとも一つの第１及び第２の出口部の一方の下流側に流体的に接続されたタービンを更に備える圧力リタード浸透システムである、ことを特徴とする請求項１９から２５の何れか一に記載のシステム。
【請求項２７】
螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールを設けるステップであって、前記モジュールは、
閉じられた第１側部と、これに対向する閉じられた第２側部と、内部領域と、外部領域とを有する膜ポケットと、第１開口端部と、第２開口端部と、を形成する、渦巻状に巻かれた正浸透膜と、
前記第１開口端部に対し封止するように結合された第１端末キャップであって、少なくとも一つの第１入口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１入口部および前記膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２入口部を有しており、前記少なくとも一つの第１入口部は前記少なくとも一つの第２入口部から流体的に分離している、第１端末キャップと、
前記第２開口端部に対し封止するように結合された第２端末キャップであって、少なくとも一つの第１出口部とマニフォールドとを備え、前記マニフォールドは、前記少なくとも一つの第１出口部および前記膜ポケットの内部領域と流体連通する内側部分と、前記膜ポケットの外部領域と流体連通する少なくとも一つの第２出口部を有しており、前記少なくとも一つの第１出口部は前記少なくとも一つの第２出口部から流体的に分離している、第２端末キャップと、を備える、ステップと、
抜き出し側の溶液の源を前記少なくとも一つの第１入口部に流体的に接続するステップと、
処理されるべき水溶液の源を前記少なくとも一つの第２入口部に流体的に接続するステップと、
を備える、ことを特徴とする淡水化プロセスを容易化する方法。
【請求項２８】
抜き出し側の溶液の源を前記少なくとも一つの第１入口部に流体的に接続することは、アンモニアの方が含有量が多くモル比が１対１よりも大きい、アンモニア及び二酸化炭素でなる抜き出し側の溶液の源を流体的に接続することを含んでいる、ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも一つの第１出口部を蒸留塔に流体的に接続することを更に備える、ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記蒸留塔の出口部を前記少なくとも一つの第１入口部に流体的に接続することを更に含む、ことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本発明は、２００８年３月２０日に出願手続がされた米国仮特許出願番号６１／０７０，０８７号の優先権の利益を主張するものであり、参照することによりその全体がここに組み入れられる。
一つ若しくはそれ以上の態様は、概して言えば、浸透圧分離（osmotic separation）に関連している。特に、一つ若しくはそれ以上の態様は、例えば、海水淡水化，汽水淡水化，廃水浄化および汚染水浄化など、圧力リタード浸透（pressure retarded osmosis）、或いは、例えば正浸透（フォワード浸透：forward osmosis）による水溶液からの溶質と水のあらゆる浸透圧分離に用いる、膜モジュール（メンブレインモジュール：membrane module）に関連している。
【背景技術】
【０００２】
正浸透は、淡水化に用いられてきた。一般に、正浸透淡水化プロセスは、半透過性の膜（メンブレイン：membrane）によって仕切られた２つの室（チャンバ：chamber）を有する容器を伴うものである。一方のチャンバには海水が入れられる。他方のチャンバには、海水と当該溶液との間に濃度勾配を生じせしめる濃溶液（concentrated solution）が入れられる。この勾配が、水が通過することは選択的に許容するが塩分が通過することは許容しない膜を横切って、海水から濃溶液内へ水を引き入れる。濃溶液へ入る水は、次第に当該溶液を希釈する。その後、低濃度の溶液から溶質が除去されて、飲料水が生成される。
【発明の概要】
【０００３】
複数の態様は、概して言えば、浸透圧分離のためのシステム及び方法に関連している。
一つ若しくはそれ以上の実施形態によれば、正浸透用の螺旋状に巻かれた（spiral wound）の膜モジュールは、内側領域と外側領域とを有する膜ポケット（メンブレインポケット：membrane pocket）を形成する、螺旋状に巻かれたフォワード浸透膜を備え、該膜は第１及び第２の端部を有している。前記モジュールは、膜ポケットの内側領域と流体連通する第１入口部（インレット：inlet）と、膜ポケットの外側領域と流体連通する第２入口部とを備えた第１端部に、分配領域（distributer region）を更に備えている。また更に、前記モジュールは、膜ポケットの内側領域と流体連通する第１出口部（アウトレット：outlet）と、膜ポケットの外側領域と流体連通する第２出口部とを備えた第２端部に、収集領域（collector region）を備えている。
【０００４】
幾つかの実施形態では、前記第１入口部は第２入口部から流体的に分離されている（fluidly isolated）かも知れない。また、前記第１出口部は、第２出口部から流体的に分離されていてもよい。分配領域は、第１及び第２の入口部を流体的に分離するように構成され配置され得る端末キャップ（end cap）を備えている。或る実施形態では、端末キャップは、膜ポケットの内部領域と、膜ポケットの外部領域と流体流通する外部領域に流体的に接続された内腔（ルーメン：lumen）を有する少なくとも一つの管（チューブ：tube）を備えていてもよい。また、前記第１入口部は、前記少なくとも一つのチューブの内腔と流体的に接続されていてもよい。
【０００５】
幾つかの実施形態では、螺旋状に巻かれた正浸透膜の第１及び第２端部の一方の少なくとも一部分は、埋込み材料が埋め込まれている（potted）かも知れない。他の実施形態では、螺旋状に巻かれた正浸透膜の第１及び第２端部の一方の少なくとも一部分は、板材（プレート：plate）に取り付けられているかも知れない。モジュールは、第１入口部から第１出口部まで、膜ポケットの内部領域によって形成された流体流路に沿って位置する、少なくとも一つのスペーサを更に備えていてもよい。モジュールは、また、第２入口部から第２出口部まで、膜ポケットの外部領域によって形成された流体流路に沿って位置する、少なくとも一つのスペーサを更に備えていてもよい。幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つのスペーサの厚さは、膜モジュールの長手方向の軸線に沿って変化するかも知れない。少なくとも一つの実施形態では、モジュールは、螺旋状に巻かれた正浸透膜と機械的に協働する中央支持体（センタサポート：center support）を有しているかも知れない。幾つかの実施形態では、螺旋状に巻かれた正浸透膜は、非対称膜である。膜ポケットの外部領域は、螺旋状に巻かれた正浸透膜のリジェクト層（rejecting layer）で形成されているかも知れない。幾つかの実施形態では、モジュールは、圧力リタード浸透システム内に一体化されているかも知れない。
【０００６】
一つ若しくはそれ以上の実施形態によれば、水処理システムは、モジュールの長手方向の軸線に沿った、隔離され実質的に平行な第１及び第２の流体流路を形成するように構成され配置された、螺旋状に巻かれた正浸透膜と、前記第１流体流路と流体的に接続された第１入口部および第１出口部と、前記第２流体流路と流体的に接続された第２入口部および第２出口部と、を備えた螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールを備えているかも知れない。水処理システムは、更に、前記第１入口部に流体的に接続された第１溶液源と、前記第２入口部に流体的に接続された第２溶液源と、を備えているかも知れない。
【０００７】
幾つかの実施形態では、第１及び第２の入口部は、螺旋状に巻かれた正浸透膜の第１端部に位置しているかも知れない。第１溶液源は、食塩水源であるかも知れない。幾つかの実施形態では、食塩水は海水でなる。第２溶液源は、抜き出し側の溶液（ドロー溶液：draw solution）源を備えているかも知れない。少なくとも一つの実施形態では、ドロー溶液は、モル比が約１対１よりも大きい、アンモニアと二酸化炭素でなるかも知れない。
【０００８】
幾つかの実施形態では、水処理システムは、更に、第２の正浸透用の螺旋状に巻かれた膜モジュールを備えているかも知れない。このシステムは、また、第１入口部での第１溶液の流速および第２入口部での第２溶液の流速の少なくとも一方を制御するように構成された制御システムを含んでいるかも知れない。少なくとも一つの実施形態では、システムは、第１及び第２出口部の一方に流体的に接続された分離システムを含んでいるかも知れない。幾つかの実施形態では、分離システムの出口部は、第１及び第２入口部の一方に流体的に接続されているかも知れない。少なくとも一つの実施形態では、システムは、第１及び第２出口部の一方の下流部に流体的に接続されたタービンを更に備えた、圧力リタード浸透システムである。
【０００９】
一つ若しくはそれ以上の実施形態によれば、淡水化プロセスを容易にする方法は、内部領域と外部領域とを有する膜ポケットを形成する渦巻状の正浸透膜を備えた螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールを設けるステップを備えていてもよく、前記螺旋状に巻かれた正浸透膜は、第１及び第２の端部と、膜ポケットの内部領域と流体連通する第１入口部および膜ポケットの外部領域と流体連通する第２入口部とを備えた第１端部の分配領域と、膜ポケットの内部領域と流体連通する第１出口部および膜ポケットの外部領域と流体連通する第２出口部とを備えた第２端部の収集領域と、を有している。容易化の方法は、ドロー溶液源を第１入口部に流体的に接続し、塩水（ブライン：brine）溶液源を第２入口部に流体的に接続することを、更に含んでいてもよい。
【００１０】
幾つかの実施形態では、ドロー溶液源を第１入口部に流体的に接続することは、モル比が約１対１よりも大きい、アンモニアと二酸化炭素でなるドロー溶液の源を流体的に接続することであるかも知れない。前記方法は、第１出口部を蒸留塔へ流体的に接続することを更に含んでいてもよい。少なくとも一つの実施形態では、前記方法は、蒸留塔の出口部を第１入口部へ流体的に接続することを更に含んでいるかも知れない。螺旋状に巻かれた正浸透膜もしくは設けられたモジュールは、当該モジュールの長手方向の軸線に沿った、隔離された実質的に平行な第１及び第２の流体流路を形成するように構成され配置されていてもよい。少なくとも一つの実施形態では、前記方法は、膜の収集領域をタービンへ流体的に接続することを更に備えた圧力リタード浸透プロセスであってもよい。
【００１１】
更に他の態様，実施形態、及びこれらの例示的な態様および実施形態の利点が、以下に詳しく議論されている。更に、前述の情報および以下の詳細な説明は、共に、様々な態様および実施形態の単に説明上の例に過ぎず、権利主張された態様および実施形態の本質および特徴を理解するための概説もしくは枠組みを与えることを意図したものである、ことが理解されるべきである。添付図面は、様々な態様および実施形態の図面上の説明および更なる理解をもたらすために含まれているもので、本明細書に組み込まれ、その一部をなすものである。図面は、明細書の残余の部分と共に、説明され権利主張された態様および実施形態の原理および働きを説明する役割を果たすものである。
【００１２】
添付図面には、少なくとも一つの実施形態の様々の態様が示されている。図面は、図示および説明の目的のために提示されたものであり、本発明の限界を規定することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った螺旋状に巻かれたフォワード浸透膜モジュールの概略図である。
【図２】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った、端末キャップを備えた螺旋状に巻かれたフォワード浸透膜モジュールの概略図である。
【図３】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った端末キャップの概略図である。
【図４】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った端末キャップの概略的な側面図である。
【図５】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った端末キャップの概略的な断面図である。
【図６】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールの端末部分の概略図である。
【図７】一つ若しくはそれ以上の実施形態に従った螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールの構成要素を通る流れのパターンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１つまたは複数の実施形態によれば、水溶液から水を抽出するための浸透方法は、概して、水溶液を正浸透膜の第１の表面へ暴露することを含む。濃度が水溶液のそれより高い第２の溶液またはドロー溶液は、フォワード浸透膜の第２の反対面へ暴露されてもよい。よって水は、正浸透膜を介して、濃度の低い溶液から高い溶液への移動を伴う流体の移動特性を利用する正浸透により水溶液から第２の溶液内へ引き出され、水分濃度の高い溶液が生成される。希釈ドロー溶液とも呼ばれるこの水分濃度の高い溶液は第１の出口部で収集され、さらなる分離プロセスを経て浄水に生成されてもよい。第２の製品流、即ち減耗または濃縮された水処理溶液は、排出またはさらなる処理のために第２の出口部に集められてもよい。
【００１５】
水圧は、概して、膜モジュールを介する第１及び第２の溶液のその個々のチャネルの長手方向軸に沿った輸送を促進する場合があるが、浸透圧は、概して、モジュール内のフォワード浸透膜を通じた水のフィード溶液からドロー溶液への輸送を促進する場合がある。或いは、水圧はフィード溶液に加えられてフィード溶液からドロー溶液への水の流れを援助する場合があり、もしくは、ドロー溶液へかけられて、２つの溶液間の浸透圧の差により駆動されるフィード溶液からの膜における水の流束に起因するドロー溶液の容積拡大によって力を生成させる場合もある（ＰＲＯ）。概して、モジュール内のフローチャネルは、これらのチャネルを介して流れを発生させる（クロスフロー）ために必要な水圧を最小限に抑えるように設計されるが、これは、２つの溶液間の浸透圧差を効率的に発生させるために有利であるフローチャネル内に乱流を生成するという、流れに対する抵抗を増大させる傾向のある、所望とは合わない場合が多い。より大きい浸透圧差は概して膜透過流束を増大させるが、希釈水製品及び再度濃縮されるドロー溶液を生産するために希釈ドロー溶液からドロー溶液を分離するために要する熱量を増大させる傾向も有する場合がある。
【００１６】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは１つまたは複数の正浸透膜を含んでもよい。正浸透膜は概して半透過性であってもよく、例えば水は通過させるが溶液中の塩化ナトリウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム及びカルバミン酸アンモニウム等の溶質は排除する。この目的に関しては、水（即ち、溶媒）の通過を許容する一方で溶質の通過を阻止しかつ溶液中の溶質とは反応しないという能力があることを条件として、多くのタイプの半透過性膜が適合する。膜は、薄膜、中空のファイバ膜、螺旋状に巻かれた膜、モノフィラメント及びディスクチューブを含む様々な構造を有することができる。半透過性の膜は、水は通過させるが塩化ナトリウム及び塩化物等のそのイオン分子種等の溶質分子は濾過して除くほどに小さい細孔を有することを特徴とする周知の市販品が多く存在する。このような半透過性膜は、有機物質または無機物質で製造されることが可能である。実施形態によっては、酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド及びアクリロニトリル共重合体等の物質で製造される膜が使用されてもよい。他の膜は、ＺｒＯ２及びＴｉＯ２等の物質で製造される鉱物膜またはセラミック膜であってもよい。
【００１７】
好適には、半透過性膜として使用するために選択される物質は、概してその膜が曝される場合のある様々なプロセス条件に耐えることができるものであるべきである。例えば、膜は、殺菌または他の高温処理に関連づけられるもの等の上昇温度に耐え得ることが望ましい場合がある。実施形態によっては、正浸透膜モジュールは摂氏約０度から摂氏約１００度までの範囲内の温度で動作されてもよい。非限定的な実施形態によっては、プロセス温度は摂氏約４０度から摂氏約５０度までの範囲内であってもよい。同様に、膜が様々なｐＨ条件下で完全性を維持し得ることも望ましい場合がある。例えば、ドロー溶液等の膜環境における１つまたはそれ以上の溶液は、多かれ少なかれ酸性または塩基性であってもよい。非限定的な実施形態によっては、正浸透膜モジュールは約２から約１１までの範囲内のｐＨレベルで動作されてもよい。所定の非限定的な実施形態では、ｐＨレベルは約７から約１０までであってもよい。使用される膜は、これらの物質のうちの１つから製造される必要はなく、様々な物質で構成されることが可能である。少なくとも１つの実施形態において、膜は、第１の表面に活性層を有しかつ第２の表面に支持層を有するような非対称膜であってもよい。実施形態によっては、活性層は概してリジェクト層であってもよい。例えば、リジェクト層は、幾つかの非限定的な実施形態では塩分の通過を阻止してもよい。実施形態によっては、バッキング層等の支持層は概して不活性であってもよい。
【００１８】
１つまたは複数の実施形態によれば、膜モジュールの少なくとも１つの正浸透膜は螺旋状に巻かれてもよい。螺旋状に巻かれた構造は、概してモジュール内の正浸透の促進に関して効率的である場合がある。螺旋状に巻かれた構造は、単位容積当たりの多量の表面積の封じ込めに関して望ましい場合がある。また螺旋状に巻かれた構造は、正浸透膜モジュール内でのプロセス流の滞留時間に関する液体流路沿いの表面積接触の点でも望ましいことがある。また膜モジュールは、乱流を促進する一方で流体フローチャネルを介する流体クロスフローに対する摩擦抵抗を低減しかつ空所及び少量輸送を低減するように有利に設計されてもよい。少なくとも１つの実施形態において、ドロー溶液及びフィード溶液の双方は膜モジュールの長手方向軸に沿って最小限の流れ抵抗または分流で進んでもよい。螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールは、所望される任意の大きさであってもよい。
【００１９】
１つまたは複数の実施形態によれば、少なくとも１つの正浸透膜はハウジングまたはケーシング内に位置合わせされてもよい。ハウジングは、概して内部に位置合わせされる膜を収容するようなサイズ及び形状にされてもよい。例えば、螺旋状に巻かれた正浸透膜を収容する場合、ハウジングは略円筒であってもよい。モジュールのハウジングは、フィード溶液及びドロー溶液をモジュールへ供給するための入口部、並びにモジュールから製品流を引き出すための出口部を含んでもよい。実施形態によっては、ハウジングは、モジュールへ導入されかつモジュールから引き出されるべき流体を保持または貯蔵するための少なくとも１つのリザーバまたはチャンバを提供してもよい。少なくとも１つの実施形態では、ハウジングは分離されてもよい。非限定的な実施形態によっては、モジュールアッセンブリは、海水がエポキシブロックと主たる巻きシートとの間の空間に流れ込むように管状のハウジング内に密封されてもよい。ドロー溶液は、巻きシート内の支持層側を通して溶液を導く平管の内部を通過してもよい。
【００２０】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは、概して第１の溶液及び第２の溶液を各々半透過性膜の第１及び第２の側面に接触させるように構成されかつ配置されてもよい。第１及び第２の溶液は滞留したままであることも可能であるが、第１及び第２の溶液は共にクロスフローによって導入されること、即ち半透過性膜の表面に平行に流れることが好適である。これは、概して１つまたは複数の流体流路に沿った膜の表面積接触を増大させる場合があり、これにより正浸透の効率が高まる。実施形態によっては、第１及び第２の溶液は同じ方向へ流れてもよい。他の実施形態では、第１及び第２の溶液は反対方向へ流れてもよい。少なくとも幾つかの実施形態では、膜表面の両側で類似する流体力学が存在する場合がある。これは、モジュールまたはハウジングにおける１つまたは複数の正浸透膜の戦略的統合によって達成されてもよい。
【００２１】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは、概して第１の流体流路と第２の流体流路とを提供するように構成されかつ配置されてもよい。流路は、概して第１の端部から第２の端部へといったモジュールの長手方向軸沿いに延びてもよい。第１及び第２の流体流路は、正浸透膜によって分離されてもよい。第１の溶液は、モジュールを介して第１の流体流路沿いに、かつ第２の溶液は第２の流体流路沿いに進んでもよい。非対称の正浸透膜の場合、膜の活性層は第１の流体流路に関連づけられてもよく、かつ支持層は第２の流体流路に関連づけられてもよい。少なくとも１つの実施形態では、海水等の処理されるべき水は正浸透膜の活性層に接触していてもよく、一方でドロー溶液は支持層に接触していてもよい。他の実施形態では、これが逆であってもよい。実施形態によっては、第１及び第２の流体流路は、膜モジュールの長手方向軸に沿って互いに概して平行または略平行であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、第１及び第２の流体流路は、概して両者間の混合を防止するように互いから略分離されてもよい。但し、モジュール内での第１の溶液から第２の溶液への水の膜間の浸透通過は上述のような溶媒の分離及び浄化を実行することが望まれる。
【００２２】
１つまたは複数の実施形態によれば、第１の溶液は、分離、浄化または他の処理が望まれる１つまたは複数の溶質を含む任意の水溶液または水性溶媒であってもよい。実施形態によっては、第１の溶液は、海水、塩水、汽水、家庭雑排水及び何らかの工業用水等の非飲料水であってもよい。処理されるべきプロセス流には、塩化物、硫酸塩、臭化物、ケイ酸塩、ヨウ化物、リン酸塩、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウム、硝酸塩、ヒ素、リチウム、ボロン、ストロンチウム、モリブデン、マンガン、アルミニウム、カドミウム、クロム、コバルト、銅、鉄、鉛、ニッケル、セレン、銀及び亜鉛等の塩類及び他のイオン種が含まれてもよい。例によっては、第１の溶液は塩水または海水等のかん水、排水または汚染水であってもよい。第１の溶液は、フォワード浸透膜処理システムへ産業施設等の上流ユニット事業から、または海洋等の他の任意のソースから送られてもよい。第２の溶液は、第１の溶液より高い濃度の溶質を含むドロー溶液であってもよい。ドロー溶液は、様々なものが使用されてもよい。例えば、ドロー溶液は熱分解塩溶液を含んでもよい。実施形態によっては、本参照によりその全体があらゆる目的で開示に含まれるＭｃＧｉｎｎｉｓに付与された米国特許出願公報第２００５／０１４５５６８号に開示されているもの等のアンモニア及び二酸化炭素のドロー溶液が使用されてもよい。ある実施形態では、第２の溶液はアンモニア及び二酸化炭素の濃溶液であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、ドロー溶液はアンモニア及び二酸化炭素を約１対１より大きいモル比で含んでもよい。
【００２３】
ドロー溶液は、概してフィード溶液の濃度より高い濃度を有する。これは、フィード溶液より高い濃度を有する溶液を生成するに足る可溶性の溶質を用いて達成されてもよい。好適には、第２の溶液内の溶質は、分離プロセスを介して第２の溶液から容易に除去が可能であるべきであり、第２の溶液の溶媒内でより容易に溶解される少なくとも１つの種、即ち可溶種と、前記溶媒内で容易には溶解されない１つの種、即ち難溶性の種を形成しかつ結果的に生じる溶媒内に溶質の種の痕跡量が残っていても健康に対して危険性のないものであるべきである。溶質の可溶性及び難溶性の種の存在は、溶液が必要に応じて調整または操作されることを見込んでいる。典型的には、可溶性及び難溶性の溶質種は、溶液内で、特定の温度、圧力、ｐＨ、他の条件下で何れの溶質種も互いより増大も減少もしないポイント、即ち溶質の可溶性の種と難溶性の種との割合が不変であるポイントに達する。これは、平衡と称される。溶液の前記特定の条件を所与として、これらの溶質種は平衡時に１対１の割合で存在する必要はない。試薬と呼ばれる化学物質の添加を介して、これらの溶質種間のバランスはシフトされることが可能である。第１の試薬を用いて、溶液の平衡は可溶性の溶質種の量を増大させるようにシフトされることが可能である。同様に、第２の試薬を用いて、溶液の平衡は難溶性の溶質種の量を増大させるようにシフトされてもよい。試薬の添加後、溶質種の割合は、溶液の条件に選好される新しいレベルで安定してもよい。平衡を可溶性の溶質種に有利に操作すれば、溶液の溶媒がそれ以上溶質を溶かすことができない状態である、飽和に近い濃度を有する第２の溶液を達成することができる。
【００２４】
第２の（ドロー）溶液に好適な溶質は、アンモニア及び二酸化炭素ガス及びこれらの生成物、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム及びカルバミン酸アンモニウムであってもよい。アンモニア及び二酸化炭素は、約１の割合で水中に溶解されると、主として重炭酸アンモニウム及びこれより少ない程度の関連生成物である炭酸アンモニウム及びカルバミン酸アンモニウムを含む溶液を形成する。この溶液内の平衡は、可溶性の溶質種であるカルバミン酸アンモニウム及びこれより低い程度の炭酸アンモニウムよりも難溶性の溶質種である重炭酸アンモニウムに有利に働く。主として重炭酸アンモニウムから成る溶液を、アンモニアと二酸化炭素との割合が約１．７５対約２．０まで増大するように過剰なアンモニアガスで緩衝処理すると、溶液の平衡は可溶性の溶質種であるカルバミン酸アンモニウムの方へシフトする。アンモニアガスは水中においてより可溶性であり、溶液によって選好的に吸着される。カルバミン酸アンモニウムは第２の溶液の溶媒によってより容易に吸着されることから、その濃度は、溶媒がそれ以上溶質を吸着できないポイント、即ち飽和まで増大されることが可能である。非限定的な実施形態によっては、この操作により達成されるこの第２の溶液内の溶質濃度は約２モルより上、約６モルより上または約６モルから約１２モルまでの範囲内である。
【００２５】
アンモニアガスは、溶質であるカルバミン酸アンモニウムが分解されると生じる、別段に構成元素とも称される化学元素の１つであることから、カルバミン酸アンモニウムの好適な第１の試薬であってもよい。概して、溶媒の試薬は溶質の構成元素であることが好適であるが、これは、過剰な試薬は溶媒が取り除かれる際に溶液から容易に除去することができ、かつある好適な一実施形態において構成元素は第１の試薬として再利用できることに起因する。しかしながら、溶液内の溶質種の平衡を操作可能な他の試薬も、それが溶液から容易に除去されかつ最終的な溶媒内に試薬の痕跡元素が残っていても健康に対する危険性がない限りにおいて企図される。
【００２６】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは概して第１及び第２の入口部を含んでもよい。これらの第１及び第２の入口部は、第１及び第２の溶液のソースに関連づけられてもよい。実施形態によっては、第１の溶液のソースは第１の溶液リザーバであってもよく、第２の溶液のソースは第２の溶液リザーバであってもよい。第１の入口部は処理されるべき水溶液のソースへ流体連通されてもよく、かつ第２の入口部はドロー溶液のソースへ流体連通されてもよい。また第１及び第２の入口部は、第１及び第２の溶液の正浸透膜モジュールへの送出を容易にするために各々第１及び第２の流体流路に関連づけられてもよい。実施形態によっては、第１の入口部は第１の流体流路と流体連通していてもよく、かつ第２の入口部は第２の流体流路と流体連通していてもよい。第１及び第２の入口部は、互いから流体的に分離されていてもよい。少なくとも１つの実施形態では、第１及び第２の入口部は正浸透膜モジュールの一方の端部、即ち第１または第２の端部に位置合わせされる。他の実施形態では、第１及び第２の入口部は正浸透膜モジュールの反対側の両端部に位置合わせされてもよい。
【００２７】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは概して第１及び第２の出口部を含んでもよい。第１及び第２の出口部は、正浸透膜モジュールからの１つまたは複数の製品流の取出しを容易にするために各々第１及び第２の流体流路に関連づけられてもよい。第１の出口部は希釈ドロー溶液を収集してもよく、第２の出口部は減耗または濃縮された水性のプロセス流を収集してもよい。実施形態によっては、第１の出口部は第１の流体流路と流体連通していてもよく、かつ第２の出口部は第２の流体流路と流体連通していてもよい。第１及び第２の出口部は、互いから流体的に分離されていてもよい。少なくとも１つの実施形態では、第１及び第２の出口部は正浸透膜モジュールの一方の端部に位置合わせされる。他の実施形態では、第１及び第２の出口部は正浸透膜モジュールの反対側の両端部に位置合わせされてもよい。
【００２８】
実施形態によっては、第１及び第２の入口部は概して正浸透膜モジュールの第１の端部に位置合わせされてもよく、一方で第１及び第２の出口部は概して正浸透膜モジュールの第２の端部に位置合わせされてもよい。このような実施形態によっては、分配領域が概して第１及び第２の入口部を設けてもよく、かつ収集領域が概して第１及び第２の出口部を設けてもよい。分配領域は膜モジュールの第１の端部に位置合わせされてもよく、かつ収集領域は膜モジュールの第２の端部に位置合わせされてもよい。
【００２９】
１つまたは複数の実施形態によれば、モジュールの正浸透膜は膜の区画室を形成するように構成されかつ配置されてもよい。膜区画室は、概して少なくとも１つの部分的に包囲された空間を形成してもよい。従って、膜区画室は内側領域と外側領域とを有してもよい。膜区画室の１つまたはそれ以上の側面は密封されてもよい。実施形態によっては、膜区画室は概して内側領域と外側領域とを有する膜ポケットと称されてもよい。第１の流体流路は膜ポケットの内側領域に関連づけられてもよく、かつ第２の流体流路は膜ポケットの外側領域に関連づけられてもよい。膜ポケットは、概して、分離のための所望される膜間浸透輸送とは別に混合を防止するために、第１及び第２の流体流路の分離を促進してもよい。非対称の膜を包含する実施形態では、膜の第１の層は区画室の内側領域の表面を提供し、かつ膜の第２の層は区画室の外側領域の表面を提供する。実施形態によっては、リジェクト層は膜ポケットの外側領域に関連づけられてもよく、かつ支持層は膜ポケットの内側領域に関連づけられてもよい。
【００３０】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは複数の正浸透膜を含んでもよい。モジュールは、複数の螺旋状に巻かれた正浸透膜を含んでもよい。膜が膜区画室またはポケットを設けるまたは形成するように構成されかつ配置される実施形態では、モジュールは、各々が内側領域と外側領域とを有する複数のこのような区画室を備えてもよい。従って、膜モジュールは複数の第１の流体経路と、複数の第２の流体経路とを備えてもよい。実施形態によっては、第１の流体流路は膜ポケットの内側領域に関連づけられてもよく、一方で第２の流体流路は膜ポケットの外側領域またはモジュールの隣接する膜間の空間に関連づけられてもよい。第１の溶液は第１の流体経路の各々に沿って流れてもよく、かつ第２の溶液は第２の流体経路の各々に沿って流れてもよい。従ってモジュールは、モジュール内に存在する螺旋状に巻かれた正浸透膜等のフォワード浸透膜の数を増すことによってスケールアップされてもよい。
【００３１】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは、膜モジュールへの第１及び第２の溶液の導入を両者間の混合を防止しながら促進する１つまたは複数の機能を含んでもよい。同様に、正浸透膜モジュールは、膜モジュールからの第１及び第２の溶液の引出しまたは収集を両者間の混合を防止しながら促進する１つまたは複数の機能を含んでもよい。実施形態によっては、螺旋状に巻かれた膜モジュールの各端部に端末キャップが位置合わせされてもよい。少なくとも１つの実施形態では、端末キャップは螺旋状に巻かれた膜の各端部に位置合わせされてもよい。複数の螺旋状に巻かれた膜を有するモジュールでは、螺旋状に巻かれた膜の各々が各端部に位置合わせされる端末キャップを有してもよい。端末キャップは、モジュール内の１つまたは複数の流体流路と流体連通している少なくとも１つの入口部及び／または出口部を含んでもよい。端末キャップは、モジュール内での１つまたは複数の流体流路の分離を容易にするように構成されかつ配置されてもよい。端末キャップは、１つまたは複数の流体入口部及び／または流体出口部を分離するように構成されかつ配置されてもよい。
【００３２】
実施形態によっては、端末キャップは、第１の流体流路と流体連通している第１の入口部と、第２の流体流路と流体連通している第２の入口部とを備えてもよい。ある実施形態では、端末キャップは、膜区画室の内側領域と流体連通している第１の入口部を備えてもよい。端末キャップは、膜区画室の外側領域と流体連通している第２の入口部を備えてもよい。
【００３３】
実施形態によっては、端末キャップは、第１の流体流路と流体連通している第１の出口部と、第２の流体流路と流体連通している第２の出口部とを備えてもよい。ある実施形態では、端末キャップは、膜区画室の内側領域と流体連通している第１の出口部を備えてもよい。また端末キャップは、膜区画室の外側領域と流体連通している第２の出口部も含んでもよい。
【００３４】
別の実施形態では、第１の端末キャップは、第１の流体流路と流体連通している第１の入口部と、第２の流体流路と流体連通している第１の出口部とを含んでもよい。第２の端末キャップは、第２の流体流路と流体連通している第２の入口部と、第１の流体流路と流体連通している第２の出口部とを含んでもよい。第１の端末キャップは、螺旋状に巻かれた膜の第１の端部に位置合わせされてもよく、かつ第２の端末キャップは、螺旋状に巻かれた膜の第２の端部に位置合わせされてもよい。第１の流体流路は膜ポケットの内側領域に沿っていてもよく、かつ第２の流体流路は膜ポケットの外側領域に沿っていてもよい。
【００３５】
１つまたは複数の実施形態によれば、端末キャップは、膜モジュールの１つまたは複数の流体流路と流体連通している１つまたは複数のポートを備えてもよい。端末キャップのポートは、概して、螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールへ導入される、または前記モジュールから引き出される溶液の端末キャップにおける分離を促進してもよい。ポートは、概して端末キャップにおいて導入及び／または引き出される様々な溶液の混合を防止することのできる任意の構造を有してもよい。ポートは、端末キャップにおいて導入及び／または引き出される様々な溶液を分離するように構成されかつ配置されてもよい。ポートは、第１の流体流路と流体連通している第１の領域と、第２の流体流路と流体連通している第２の領域とを備えてもよい。第１及び第２の領域は、第１及び第２の領域に導入される、かつ／または前記領域から引き出される溶液間の混合を防止するように配置されてもよい。ポートは、所望される流束の達成等を目的として膜モジュールを介する流体の流れを促進するようにサイズを決定されかつ離隔されてもよい。この流束は、概して、膜モジュールの一方の端部からもう一方の端部への比較的真っ直ぐな流路における乱流を、最小限の流路の偏り及び流路の特殊な寸法から生じる流れに対して最小限の抵抗で促進することによって達成される。
【００３６】
実施形態によっては、ポートは、各々が内腔領域と外側領域とを有する複数の管を備えてもよい。少なくとも１つの実施形態では、これらの管は略平坦な管であってもよい。他の実施形態は楕円形または円形の管開口を想定し、かつ管間の空間は例えば長方形、楕円形、三角形または波形の形状をとる。１つまたは複数の内腔は、膜ポケットの内側領域等の第１の流体流路へ流体接続されてもよく、かつ管の外側領域は、膜ポケットの外側領域等の第２の流体流路と流体連通していてもよい。内腔は、第１の溶液の第１の流路への導入を容易にするために膜モジュールの第１の入口部へ流体接続されてもよく、一方で管の外側領域は、第２の溶液の第２の流体流路への導入を容易にするために膜モジュールの第２の入口部へ流体接続されてもよい。別の端末キャップの内腔は、第１の溶液の第１の流路からの引出しを容易にするために膜モジュールの第１の出口部へ流体接続されてもよく、一方で管の外側領域は、第２の溶液の第２の流体流路からの引出しを容易にするために膜モジュールの第２の出口部へ流体接続されてもよい。端末キャップが１つの入口部と１つの出口部とを備える実施形態では、内腔は、第１の溶液を第１の流体流路へ送出するために膜モジュールの第１の入口部へ流体接続されてもよく、一方で管の外側領域は、第２の溶液を第２の流体流路から引き出すために膜モジュールの第１の出口部へ流体接続されてもよい。これらの例示的構造以外にも、他に様々な構造が可能である。
【００３７】
１つまたは複数の実施形態によれば、膜モジュールは、分離のための所望される膜間輸送を別としてモジュール内の流体流路の隔絶を保証する１つまたは複数の機能を含んでもよい。先に述べた端末キャップは、このような機能の１つであってもよい。他の機能は、単独で、または端末キャップとの共同で実装されてもよい。実施形態によっては、螺旋状に巻かれた正浸透膜の１つまたはそれ以上の端部の少なくとも一部はプレートまたはモジュールへ供給される、またはモジュールから引き出される様々な溶液間の混合を防止することのできる他の機械的または構造的手法を取り付けられてもよい。他の実施形態では、螺旋状に巻かれた正浸透膜の１つまたはそれ以上の端部の少なくとも一部は、流体流路の分離を容易にするために埋込み材料が埋め込まれてもよい。膜に埋込み材料を埋め込む様々な技術及び材料は周知であり、概して硬化性の樹脂材料の使用を含む。実施形態によっては、埋込み材料の埋込みは、概して第１の流体流路へ出入りする流体が第２の流体流路へも出入りすること、及びその逆を防止してもよい。例えば、埋込み材料の埋込みは、端末キャップの管の内腔へ流れ込む第１の流体が管間にも流れ込むことを防止してもよい。同様に、埋込みは、概して端末キャップの管間を流れる第２の流体が端末キャップの管の内腔へも流れ込むことを防止してもよい。非限定的な実施形態によっては、これは、液体であって次に凝固する任意のエポキシ状物質を用いて達成されてもよい。埋込み材料の中には概して硬質であるとして特徴づけられるものもある一方で、他の材料はより柔軟である。各々の性質が関連する利点を有し、よって実施形態によっては、埋込み用の樹脂材料を組み合わせて用いることが望ましい場合がある。端末キャップ及び／またはプレートまたは他の機械的または構造的デバイスが使用される実施形態では、埋込み材料の埋込みは、螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールの流体入口部及び／または出口部における望ましくない混合に対して補助的な防御を提供する。
【００３８】
１つまたは複数の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは、概してモジュールの長手方向軸沿い等の膜モジュールを介する一様な流束を促進するように構成されかつ配置されてもよい。一様な流束は、概して膜の利用可能な表面積の効率的な使用を促進してもよい。一様な流束を促進する場合のある設計上の考慮事項には、例えば流速、乱流、フィード及びドロー溶液の濃度と容積との均衡化、フローチャネルの高さ、膜表面のパターニング、チャネルを介してモジュール半径軸上の如何なる点においても均一な流れを保証するための膜モジュールの両端部における流れ分配器または補助的な流れ分配器及び膜モジュールの直径及び長さ等のパラメータの最適化が含まれる。
【００３９】
１つまたは複数の実施形態によれば、支持構造体が螺旋状に巻かれた膜モジュールに関連づけられてもよい。例えば、ロッドまたはシャフトが螺旋状に巻かれた膜を支持してもよい。実施形態によっては、１つまたは複数の正浸透膜は支持構造体の周りに巻かれてもよい。所定の実施形態では、複数等の１つまたはそれ以上の正浸透膜ポケットが支持構造体の周りに螺旋状に進められてもよい。１つまたは複数の膜は、支持構造体へ接続されてもよい。他の実施形態では、これらは付着されなくてもよい。実施形態によっては、モジュールは、１つまたは複数の流体流を導入または収集するための中央透過管等の透過管を含まない。従って、少なくとも１つの実施形態では、支持構造体は透過管ではない。
【００４０】
１つまたは複数の実施形態によれば、１つまたは複数の流体流路に沿って１つまたは複数のスペーサが位置合わせされてもよい。スペーサは、概して流体流路に沿った一様な流束の促進を容易にしてもよく、流体流を流路に沿って方向付けてもよく、モジュール内の任意の所望される乱流を促進してもよい。１つまたは複数のスペーサは、第１の流体流路及び／または第２の流体流路に沿って位置合わせされてもよい。実施形態によっては、スペーサは膜ポケットに沿って、かつ／または膜ポケットの外側領域に沿って位置合わせされてもよい。少なくとも幾つかの実施形態では、スペーサは膜モジュールの隣接する膜間に位置合わせされてもよい。スペーサは、流体流路に関連づけられる１つまたは複数のパラメータを戦略的に調整すべく用いられてもよい。例えば、スペーサの厚さ、幅または高さ等の寸法は、結果的に流体流路の所望される高さ、容積、流束または他のパラメータが生じるように選択されてもよい。流体流路の１つまたは複数のパラメータは、流体流路の長手方向軸に沿って変わることが望ましい場合がある。少なくとも１つの実施形態では、膜モジュールの長手方向軸に沿ったスペーサの厚さは、所望される輪郭を達成するように変えられてもよい。例えば、モジュールの長手方向軸に沿って１つまたは複数の流体流路を先細にすることが望ましい場合がある。
【００４１】
少なくとも１つの実施形態では、螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールは接着剤層を含まず、もしくは実質上接着剤層がない。接着剤層の使用は、通常、概して膜モジュール内の流体流の方向付けを促進することが知られている。実施形態によっては、区画室またはポケットを形成するように折り畳まれた、もしくは別段に構成されかつ配置されたもの等の正浸透膜は、流体流路沿いに流体流を方向付けること等を目的とする接着剤層を含まない。例えば、実施形態の中には、膜ポケットの内側領域に関連づけられる接着剤層を含まないものがある。接着剤層のない１つまたは複数のこのような膜は、１つまたは複数の実施形態による正浸透膜モジュール内に螺旋状に巻かれてもよい。実施形態によっては、ポケットを密閉し、端末キャップを固定しかつ／または膜を支持構造体へ接続するために、膜ポケットの縁に沿って接着剤または粘着剤が使用されることもある。
【００４２】
１つまたは複数の実施形態による螺旋状に巻かれた膜モジュールは、圧力リタード浸透に使用されてもよい。圧力リタード浸透は、概して、濃縮ドロー溶液と希釈動作流体等の２つの溶液間の塩分濃度差から浸透力または塩分勾配エネルギーを導出することに関連していてもよい。例によっては、海水が第１の溶液であってもよく、淡水または略脱イオン水が第２の溶液であってもよい。実施形態によっては、１つまたは複数の螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールは、圧力リタード浸透を促進するために圧力容器内に囲まれてもよい。膜、端末キャップ、スペーサまたは流路に関する１つまたは複数の特性またはパラメータ等の正浸透膜モジュールの１つまたは複数の設計態様は、圧力リタード浸透用途に合わせて修正されてもよい。圧力リタード浸透内では、ドロー溶液は、螺旋状に巻かれた膜モジュールの第１の流体流路沿い等の膜の第１の側面上の圧力チャンバ内に導入されてもよい。実施形態によっては、ドロー溶液の少なくとも一部は、ドロー溶液と希釈動作流体との間の浸透圧差を基礎として加圧されてもよい。希釈動作流体は、螺旋状に巻かれた膜モジュールの第２の流体流路沿い等の膜の第２の側面上へ導入されてもよい。希釈動作流体は、概して浸透によって膜内を移動してもよく、よって膜の加圧されるドロー溶液側の容積が増大される。圧力が補償されるにつれて、タービンが回転されて発電されてもよい。結果的に生じる希釈ドロー溶液は、次に再使用のために分離等の処理を受けてもよい。実施形態によっては、産業廃棄物熱等のより低温の熱源を使用して圧力リタード浸透システムまたはプロセスが促進されてもよい。
【００４３】
ある非限定的な実施形態において、１つまたは複数の螺旋状に巻かれた膜モジュールを組み込んだ圧力リタード浸透システムは、本参照によりその全体があらゆる目的で開示に含まれるＭｃＧｉｎｎｉｓ等のＷＩＰＯ刊行物である国際公開ＷＯ  ２００８／０６０４３５号に開示されているもの等の浸透熱機関であってもよい。浸透熱機関は、浸透圧を電力に変換する半透膜を使用して熱エネルギーを機械的動作に変換してもよい。濃縮されたアンモニア−二酸化炭素ドロー溶液は、水圧勾配に対抗して半透膜を介する水束を発生する高浸透圧を生成してもよい。タービン内の増大されたドロー溶液容積の減圧は、電力を生成してもよい。このプロセスは、希釈ドロー溶液の、共に浸透熱機関における再使用するための再濃縮ドロー溶液及び脱イオン水動作流体への分離を介して定常状態運転で保持されてもよい。
【００４４】
実施形態によっては、正浸透膜は約２０００ｐｓｉまでの圧力で動作されてもよい。非限定的な正浸透膜の中には、約２０ｐｓｉから約５０ｐｓｉまでの範囲内の圧力を含んでもよいものがある。運転に際して、正浸透膜モジュールの非限定的な例示的条件は、ドロー溶液のフローチャネルを介するクロスフローを実行するために必要な約２０ｐｓｉから約４０ｐｓｉまで以外には水圧がかからない状態で約５モルのドロー溶液を含んでもよく、これは、半透膜を介するフィード溶液からの膜を介する水束によってほぼ約１．５モルの濃度まで希釈される。この場合のフィード溶液は、例えば、フィードフローチャネルを介してそのクロスフローを誘導するための約２０ｐｓｉから約４０ｐｓｉまで以外には水圧を受けない海水フィード（ほぼ約０．５モル）である。
【００４５】
実施形態によっては、圧力リタード浸透モジュールは約２０００ｐｓｉまでの圧力で動作されてもよい。圧力リタード浸透の非限定的な実施形態の中には、約１０００ｐｓｉから約２０００ｐｓｉまでの範囲内の圧力を含むものがある。運転に際して、圧力リタード浸透モジュールの非限定的な例示的条件は約５モルのドロー溶液濃度を含んでもよく、これは、ほぼ約１００ａｔｍの水圧下で約３モルまでの希釈状態になる。この場合のフィード溶液は、例えば、流体フローチャネルを介してその流れを誘導するために必要な水圧（約２０ｐｓｉから約４０ｐｓｉまで）下のみの脱イオン水動作流体である。
【００４６】
図１は、一つ若しくはそれ以上の非制限的な実施形態に従った螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュール１００を表している。モジュール１００は、複数のスパイラル渦巻き状正浸透膜１１０を含んでいる。モジュール１００の各端部は、室（チャンバ：chamber）１２０，１３０を有している。チャンバ１２０は入口部（インレット：inlet）１２４，１２６を有する一方、チャンバ１３０は出口部（アウトレット：outlet）１３４，１３６を有している。膜１１０の各端部は、ポット（pot）１４０において埋め込まれている。
【００４７】
モジュール１００は、あらゆる所望の寸法でサイズ設定することができる。例えば、サイズ設定は、流量の要求条件および設置面積スペースを含む様々な要件に基づいていてもよい。モジュールは、一般に、特定用途の仕様に適応するために、大きさを拡大または縮小することができる。幾つかの非制限的な実施形態では、モジュール１００の物理的な寸法は、長さが約０．５メートル（meter）から約２メートルの間である。或る特定の実施形態では、モジュール１００は約１メートルの長さである。幾つかの非制限的な実施形態では、モジュール１００は、直径が約１インチ（inch）から約５０インチの間である。或る特定の実施形態では、モジュール１００は、直径が約２，約４，約８若しくは約１６インチである。
【００４８】
図２は、巻かれていない、つまり、螺旋渦巻状にする前の、単体の正浸透膜２１０の概略を表している。複数のかかる膜２１０が、図１の膜１１０を包含することができる。正浸透膜２１０の各端部に端末キャップ（cap）２５０が配置されている。幾つかの非制限的な実施形態では、端末キャップは、図３に示された端末キャップ３５０に従って設計されてもよい。端末キャップ３５０は、間のスペース３８０によって分離された一列に並んだポート（port）３７０を含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、ポート３７０は扁平な管（チューブ：tube）であってもよい。取付構造つまりマニフォールド（manifold）３６０は、端末キャップ３５０の膜２１０の側部に対する密封（sealing）を容易にすることができる。ポート３７０，スペース３８０及びマニフォールド３６０の寸法は、あらゆる所望の大きさであってもよく、個別に最適化することができる。
【００４９】
端末キャップ４５０の側面図が図４に示されている。マニフォールド４６０は、一般に、膜ポケットへの端末キャップ４５０の取付を容易にすることができる。作動中、第１流体は、扁平チューブ４７０の内腔（ルーメン：lumen）４７５を通ってのみ、端末キャップ４５０を流通することができる。第２流体は、扁平チューブ４７０の周囲のスペース４８０内を流れることができる。図５は、扁平チューブ５７０がマニフォールド５６０と結合している、端末キャップ５５０の断面を詳しく示している。マニフォールド５６０は、膜ポケットに対して密封されている。マニフォールド５６０の内部部分は、チューブ５７０の内腔および膜ポケットの内部領域と流体連通することができ、一方、マニフォールド５６０の外部部分は、チューブ５７０の周囲のスペース５８０および膜ポケットの外部領域と流体連通することができる。
従って、第１及び第２の流体入口部は、図６に示されるように、混合を防止するために互いに分離されていてもよい。図６は、渦巻状正浸透膜モジュールの端末部分を示している。端末キャップ６５０のチューブ６７０は、内腔６７５と外部領域６８０とを定めている。第１流体は、内腔６７５と流体連通する第１入口部６２４にてモジュール６００に流入することができる。第２流体は、外部領域６８０と流体連通する第２入口部６２６にてモジュール６００に流入することができる。埋込み部（potting）６４０は、第１及び第２の入口部６２４，６２６の流体分離を容易にすることができる。膜ポケットの内部領域および外部領域によって定められた流体の流路もまた、図７に示されるように、浸透圧分離（osmotic separation）のための所望の膜貫通輸送から、流体的に分離され離隔されることができる。図７は、外部領域に沿った溶液Ａの第１流体流路と内部領域に沿った溶液Ｂの第２流体流路とを備えた膜ポケットを示している。
【００５０】
一つ若しくはそれ以上の実施形態によれば、螺旋状に巻かれた正浸透膜モジュールの製作に際して、平坦なシート（sheet）状の膜を用いられてもよい。幾つかの非制限的な実施形態では、平坦なシート状正浸透膜は、それ自体が、例えば実質的に半分に折り重ねられてもよい。膜シートの第１の縁部が、当該膜シートの第２の平行な縁部に折り重ねられてもよい。非対称膜の正浸透膜の場合には、片側の支持層（supporting layer）が他側の支持層に面すると共に、各側の拒絶層（rejecting layer）が外側に面するように、シートが折り畳まれてもよい。ポケット若しくは仕切られた区画室（コンパートメント：compartment）は、一般に、折り畳まれた膜の外部に形成される。他の実施形態では、膜ポケットの内部領域において活性層（active layer）が互いに面していてもよい。バッキング層（backing layer）及び活性層の他の配置も可能である。
コンパートメントの必然的に密封される縁部が、折り畳み動作を通じて形成される。必然的に密封される縁部に対向し平行な縁部は、接着剤，エポキシ樹脂，粘着剤あるいは摩擦の使用を含めて、あらゆる一般に知られた技法によって密封することができる。折り畳まれた膜の２つの縁部は、また、以下に説明するように、流体的に分離された入口部および出口部をもたらしながら、実質的に密封されてもよい。他の実施形態では、膜コンパートメントを形成するために、単一のシートを折り畳むのではなく、２つ若しくはそれ以上の膜シートが取り付けられてもよい。
【００５１】
一つ若しくはそれ以上の実施形態によれば、端末キャップは、モジュールを通して送り側の溶液（フィード溶液：feed solution）及び抜き出し側の溶液（ドロー溶液：draw solution）の分離した流れを達成するために、折り畳まれた膜シート（membrane sheet）の２つの端末縁部（これら縁部は、通常、螺旋状のハウジングの何れかの端部にある）の各々に配置されてもよい。端末キャップの長さ方向の側部は、一般に、密封されている。回転（ローリング：rolling）時の螺旋状の束構造（bundle）の中心に在るであろう長さ方向の側部が、シートを巻くためのバー（bar）若しくは他の内部構造上の支持体に対して、随意的に添付されてもよい。折り畳まれた正浸透膜シートの端末縁部の各々に対して、端末キャップを密封して取り付けるために、あらゆる既知の技法を用いることができる。膜ポケットの内部に、１つ若しくはそれ以上の乱流スペーサ（turbulence spacer）が含まれていてもよい。
【００５２】
その結果として得られる、端末キャップを含む、改良された折り畳まれた正浸透膜シートは、スパイラル状に巻かれることができる。この時点では、巻かれた膜は、巻かれた膜の束構造の何れかの端部から突き出た端末キャップからの扁平チューブを有していてもよい。その後、これらの端部は埋込み材料が埋め込まれてもよい。幾つかの実施形態では、各端部は、エポキシ若しくは他の形態の封止剤に浸漬されるかも知れない。或る非制限的な実施形態では、チューブの長さの約半分が、このやり方で封止されるかも知れない。エポキシ封止の端末部は、埋込み材料の埋め込み（potting）の後に切断されて、チューブの内腔へ流体が流れ込むことができるようにしてもよい。幾つかの非制限的な実施形態では、チューブの長さの約１／４が、封止状態に維持されるかも知れない。
【００５３】
膜の束の各端部は、その後、外側ハウジングの内部に取り付け若しくは封止されてもよい。作動期間中、例えば塩水または海水のようなフィード溶液は、エポキシ樹脂の塊（エポキシブロック：epoxy block）と主シート巻きとの間にあるスペース内を指向することができ、ハウジング内へのポート（port）の周囲を流れて膜内に入り膜の海水側に沿って流れる。同様に、抜き出し側の溶液は、ポートの開口を指向することができ、膜ハウジング内へ入り膜の抜き出し側に沿って流れる。この構造は、浸透膜の両側に、同様の流体力学特性を許容することができる。
【００５４】
例えば淡水化システムや他の処理システムのようなシステムは、複数のスパイラル状に巻かれた正浸透膜モジュールを含んでいてもよい。複数のスパイラル状に巻かれた正浸透膜モジュールは、一列に配置されてもよい。１つのシステムが、複数の入口部および出口部を有していてもよい。第１及び第２の溶液源は、例えばフィード溶液源およびドロー溶液源のように、膜モジュールに流体的に接続されていてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば蒸留システムのような分離システムが、膜モジュールの出口部に流体的に結合されるかも知れない。分離システムは、正浸透プロセスによって生産された低濃度のドロー溶液を処理して、ドロー溶液を再生するだけでなく、飲料水や他の製品流（product stream）を生産することができる。その後、ドロー溶液が、正浸透膜モジュールの入口部に再循環され、一方、製品水は、使用箇所へ送給されることができる。全ての目的のために、引用することによりその全体がここに組み入れられるものであるが、例えばＭｃＧｉｎｎｉｓ等のＷＩＰＯ刊行物である国際公開ＷＯ  ２００７／１４６０９４号に記載されているような蒸留塔が、様々の実施形態に従って実現することができる。
【００５５】
一つ若しくはそれ以上の実施形態によれば、装置，システム及び方法は、限定するものではないが、例えば作動弁やポンプなどの、装置又はシステム要素の少なくとも一つの作動パラメータを調節もしくは調整するための、同様に、スパイラル状に巻かれた正浸透膜モジュールを通る一つ若しくはそれ以上の流体の流れの性質や特性を調節するための、コントローラを含んでいてもよい。
コントローラは、例えば、濃度，流量，ｐＨレベル若しくは温度など、システムの少なくとも一つの作動パラメータを検出するように構成された少なくとも一つのセンサと、電子的に接続されていてもよい。このコントローラは、一般に、一つ若しくはそれ以上の作動パラメータを調節するために、センサによって生成された信号に応答して、制御信号を生成する。例えば、コントローラは、フォワード浸透分離装置のあらゆる流れ，要素またはサブシステムの条件，特性もしくは状態を表す表示を受信するように構成することができる。コントローラは、典型的には、一つ若しくはそれ以上の何らかの前記表示および例えば設定ポイント等の目標値つまり所望の値に基づいた、少なくとも一つの出力信号の生成を容易にするアルゴリズム（algorithm）を有している。一つ若しくはそれ以上の特定の態様によれば、コントローラは、あらゆる流れのあらゆる測定された特性の表示を受信し、あらゆるシステム要素（system component）に制御，駆動または出力信号を生成して、測定された特性の目標値からの逸脱を低減するように、構成することができる。
【００５６】
本発明の幾つかの説明に役立つ実施形態を記載したが、前述のものは、単に説明的なもので、限定するものではなく、例示目的にのみ提示された物であることは、当業者にとって明白である。数々の変更および他の実施形態が、当該技術分野における通常の技術の一つの範囲内にあり、本発明の範囲内にあるものとして予期される。特に、ここに提示された例の多くのものは、方法の行為やシステム要素の特定の組み合わせを含んでいるが、同じ目的を達成するために、これらの行為や要素が他の方法で組み合わされることができる、ことが理解されるべきである。
【００５７】
ここで議論された装置，システム及び方法の実施形態は、適用においては、後続する記載で説明された或いは添付図面に示された、構造の詳細および構成要素の配置に限定されるものではないことが理解されるべきである。装置，システム及び方法は、他の実施形態においても実行可能であり、様々な方法において実行可能つまり実施可能である。特定の実行例は、説明目的のためにのみここに提示されており、限定されることを意図したものではない。特に、一つ若しくはそれ以上の実施形態に関連して議論された行為（act），要素および特徴は、他のあらゆる実施形態における類似した役割から排除されることを企図したものではない。
【００５８】
当業者であれば、ここで説明されたパラメータや構成は例示的なものであり、実際のパラメータ及び／又は構成は、本発明のシステム及び技法が用いられる特定の用途に依ることになる、ことを理解すべきである。また、当業者あれば、本発明の特定の実施形態と同等のものを、認識し、若しくは、通常のものに過ぎない実験を用いて確かめることができる。従って、ここに記載された実施形態は例示のみを目的として提示されていること、及び、添付のクレーム及びそれに同等のものの範囲内において、特に記載されたよりも他に実践することができることが、理解されるべきである。
【００５９】
更に、本発明は、ここに記載された各々の特徴，システム，サブシステム或いは技法、及び２つ若しくはそれ以上のここに記載された特徴，システム，サブシステム或いは技法の組み合わせを対象としており、かかる特徴，システム，サブシステム及び技法が相互に矛盾するものでなければ、前記特徴，システム，サブシステム及び／又は方法のあらゆる組み合わせは、クレーム内において具現化された発明の範囲内に在るものと考えられるべきであることが、理解されるべきである。更に、一つの実施形態のみに関連して議論された行為，要素および特徴は、他の実施形態における同様の役割から排除されることを意図したものではない。
【００６０】
ここで用いられた表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定するものとみなされるべきではない。ここで用いられる限り、用語「複数（plurality）」は２つ若しくはそれ以上の品目または要素を言うものである。用語「構成する（comprising）」，「含む（including）」，「持つ（carrying）」，「有する（having）」，「包含する（containing）」及び「関与する（involving）」は、明細書あるいは請求の範囲の何れに記載されたものであれ、制約がない用語（open-ended term）、すなわち、「含むけれども限定するものではない（including but not limited to）」を意味するものである。従って、かかる用語の使用は、その後に続いて挙げられた品目、及び付加される品目だけでなくそれに均等なものをも包含することを意味する。移行句（transitional phrase）である「から成る（consisting of）」及び「基本的にから成る（consisting essentially of）」は、それぞれ、クレームに関しては閉じた或いは半ば閉じた移行句である。クレーム要素（claim element）を修飾するクレーム中の「第１（first）」，「第２（second）」，「第３（third）」などの序数詞の使用は、それ自体、優先性，先行性あるいは他のものに対する一つのクレーム要素の序列、若しくは方法の行為が実行される時制上の順序を暗示するものではなく、クレーム要素を識別するために、ある名称を有する一つのクレーム要素を、同一の名称を有する他の要素から識別する標識（ラベル：label）としてのみ用いられるものである。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図７】
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