(57)【要約】【課題】改善された能率、低い適用圧、均一な透過流束分布、高い平均操作透過流束および高い回収率が可能である、高い浸透圧の溶液例えば海水を処理する装置の提供。【解決手段】直列に並んだらせんに巻かれた逆浸透またはナノ濾過のエレメントを少なくとも３つ含む容器であり、ここでエレメントは、標準比透過流束の最大値を有するエレメント、標準比透過流束の最小値を有するエレメントおよび標準比透過流束の中間の値を有するエレメントを含み、標準比透過流束の最小値により除された標準比透過流束の最大値は２より大きく、中間エレメントは、最小値の約１．２５と最大値の約０．８５との間の中間の値である標準比透過流束を有し、均一な透過流束分布が得られる。【選択図】図４
2007523744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対する入口末端および出口末端を有しさらに少なくとも３つのらせんに巻かれたエレメントを囲む濾過耐圧容器からなり、それぞれのらせんに巻かれたエレメントが濾過耐圧容器内に直列かつ同軸で接続しているとともに供給水チャンネルと透過液収集管とを有している水を精製する装置において、直列のエレメントが、
ａ．先頭のエレメントの入口が先頭エレメントの供給水チャンネルへ最初の供給液をもたらすように濾過耐圧容器の入口と連絡している入口、並びに該らせんに巻かれたエレメントの１つ以上からの透過液が濾過耐圧容器の該末端から所望に応じて取り出されるように、濾過耐圧容器の出口と連絡している任意の透過液出口を有する先頭エレメント、
ｂ．中間エレメントが濾過耐圧容器内で支持されかつ軸方向に配列されているように、上流エレメントと下流エレメントとに接続している中間エレメント、および
ｃ．該エレメントの１つ以上からの透過水が所望に応じて濾過耐圧容器の該出口末端から取り出されそして後端エレメントからの残存供給水の流れが濾過耐圧容器を出ることができるように、濾過耐圧容器の出口末端と連絡している出口を有する後端エレメント
を含み、ここでらせんに巻かれたエレメントは、標準比透過流束の最大値を有するらせんに巻かれたエレメント、標準比透過流束の最小値を有するらせんに巻かれたエレメントおよび標準比透過流束の中間値を有するらせんに巻かれたエレメントを含み、そして標準比透過流束の最小値により除された標準比透過流束の最大値は２より大きく、そして中間エレメントは、最小値の約１．２５と最大値の約０．８５との間の中間値である標準比透過流束の値を有することを特徴とする水を精製する装置。
【請求項２】
標準比透過流束の最大値を有するエレメントが第一のエレメントのタイプのものであり、中間の標準比透過流束を有するエレメントが第二のエレメントのタイプのものであり、そして標準比透過流束の最小値を有するエレメントが第三のエレメントのタイプに属する請求項１の装置。
【請求項３】
先頭エレメントの標準比透過流束により除される後端エレメントの標準比透過流束が２より大きい請求項１の装置。
【請求項４】
後端エレメントの標準比透過流束が１．５Ｌ／ｍ２／時／バールより大きい請求項１の装置。
【請求項５】
先頭エレメントが、１．０Ｌ／ｍ２／時／バールより小さい標準比透過流束を有する請求項１の装置。
【請求項６】
後端エレメントが、先頭エレメントの供給液スペーサー断面積より少なくとも１５％小さい供給液スペーサー断面積を有する請求項１の装置。
【請求項７】
後端エレメントが、先頭エレメントの供給液スペーサー断面積より少なくとも３０％小さい供給液スペーサー断面積を有する請求項６の装置。
【請求項８】
後端エレメントの供給液スペーサーが、約０．４バール／ｍより大きい標準圧力勾配を有する請求項１の装置。
【請求項９】
後端エレメントの供給液スペーサーが、先頭エレメントの供給液スペーサーシートの標準圧力勾配より５０％大きい標準圧力勾配を有する請求項１の装置。
【請求項１０】
先頭エレメントの標準溶質透過率／標準比透過流束の比により除された後端エレメントの標準溶質透過率／標準比透過流束の比が、２より小さい請求項１の装置。
【請求項１１】
後端エレメントが、２５℃、供給液中３２０００ｐｐｍのＮａＣｌ、８％の回収率および２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束を使用してテストしたとき、５００ｐｐｍより低い透過液塩濃度を生ずる請求項１の装置。
【請求項１２】
濾過耐圧容器が、濾過システムの２つ以上の平行した濾過耐圧容器の１つである請求項１の装置。
【請求項１３】
らせんに巻かれたエレメントの透過液収集管内または２つの隣接するエレメントの透過液収集管の間の何れかに位置したバリヤーをさらに含み、ここでバリヤーは第一および第二の合わせた透過液の流れを画成し、第一の合わせた透過液の流れは先頭エレメントからの透過液からなり、そして第二の合わせた透過液の流れは後端エレメントからの透過液からなり、さらにバリヤーは、合わせた透過液の流れ間の透過液の混合をさらに防ぐ請求項１の装置。
【請求項１４】
第一の合わせた透過液の流れが、少なくとも１．５バールの第二の合わせた透過液の流れの圧力より大きい圧力を有し、第一の合わせた透過液の流れが、標準比透過流束の最大値を有するエレメントからの透過液のすべてからなり、さらに第一の合わせた透過液の流れが、第二の濾過容器への供給液の流れである請求項１３の装置。
【請求項１５】
ａ．直列の少なくとも３つのらせんに巻かれたエレメントを含む濾過耐圧容器を通して供給溶液を流す段階、ここで直列のエレメントが、容器の供給液入口末端付近の先頭エレメントおよび下流エレメントを含み、直列のエレメントは、標準比透過流束の最大値を有するらせんに巻かれたエレメントおよび標準比透過流束の最小値を有するらせんに巻かれたエレメントを含み、そして標準比透過流束の最小値により除された標準比透過流束の最大値が１．５より大きく、
ｂ．濾過圧力を供給溶液に加えて透過液を容器内の各エレメントを通過させる段階、および
ｃ．容器から透過溶液および濃縮溶液を取り出す段階
からなり、ここで供給溶液は、容器の入口で２０バールより高い透過濾過圧を有することを特徴とする水を精製する方法。
【請求項１６】
先頭エレメントの標準比透過流束により除された下流エレメントの標準比透過流束が、１．５より大きい請求項１５の方法。
【請求項１７】
下流エレメントが、１．５Ｌ／ｍ２／時／バールより大きい標準比透過流束を有する請求項１５の方法。
【請求項１８】
下流エレメントの平均全推進濾過圧により除された先頭エレメントの平均推進濾過圧が、２より大きい請求項１５の方法。
【請求項１９】
下流エレメントが容器の後端エレメントである請求項１５の方法。
【請求項２０】
先頭エレメントが、容器の平均透過流束の２倍より小さい平均透過流束で操作される請求項１７の方法。
【請求項２１】
容器が少なくとも５つのらせんに巻かれたエレメントを直列で含み、生成される濃縮溶液の体積が、生成される透過溶液の体積の２倍以下であり、容器の平均透過流束が、先頭エレメントの平均透過流束の少なくとも７０％であり、そして先頭エレメントが１０Ｌ／ｍ２／時と２７Ｌ／ｍ２／時との間の平均透過流束を有する請求項１５の方法。
【請求項２２】
容器の平均透過流束が、先頭エレメントの平均透過流束の少なくとも８０％である請求項２１の方法。
【請求項２３】
先頭エレメントが、３４Ｌ／ｍ２／時より小さい平均透過流束で操作され、そして容器が２４Ｌ／ｍ２／時より大きい平均透過流束で操作される請求項２１の方法。
【請求項２４】
濃縮溶液が、入口での浸透圧の２倍より高い浸透圧を有する請求項２１の方法。
【請求項２５】
下流エレメントが、先頭エレメントの供給液スペーサー断面積より少なくとも３０％小さい供給液スペーサー断面積を有する請求項１５の方法。
【請求項２６】
エレメントが２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束、８％の回収率および水中３２０００ｐｐｍのＮａＣｌからなる２５℃の供給溶液を使用して独立してテストされるとき、下流エレメントが２０％より大きいＮａＣｌ通過を有し、そして２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束、８％の回収率および水中３２０００ｐｐｍのＮａＣｌおよび２０００ｐｐｍのＭｇＳＯ４からなる２５℃の供給溶液を使用して独立してテストされるとき、下流エレメントが１％より小さい硫酸塩通過を有する請求項１５の方法。
【請求項２７】
標準比透過流束の最大値を有するエレメントが、第一のエレメントのタイプに属し、標準比透過流束の最小値を有するエレメントが、第二のエレメントのタイプに属し、そして第二のエレメントのタイプの標準比透過流束により除された第一のエレメントのタイプの標準比透過流束が２より大きい請求項１５の方法。
【請求項２８】
第一の耐圧容器内で透過液の流れに対する本質的に不透過性のバリヤーをさらに含み、バリヤーは第一および第二の合わせた透過液の流れを画成し、第一の合わせた透過液の流れは、先頭エレメントからの透過液のすべてを含みそして第二の合わせた透過液のながれは、後端エレメントからの透過液のすべてを含み、第一の合わせた透過液の流れは、第二の濾過耐圧容器への供給液の流れになり、そして標準比透過流束の最小値により除された標準比透過流束の最大値は１．５より大きい請求項１５の方法。
【請求項２９】
ａ．少なくとも３つのらせんに巻かれた逆浸透エレメントからなる濾過耐圧容器を通して供給溶液を流す段階、ここで３つのらせんに巻かれたエレメントは、上流エレメント、下流エレメントそして上流エレメントと下流エレメントとの間に配置された中間エレメントを含み、上流エレメントの標準比透過流束により除された下流エレメントの標準比透過流束は２より大きく、そして上流エレメントの標準比透過流束により除された中間エレメントの標準比透過流束は１．２５と１．７５との間にあり、
ｂ．供給溶液に圧力を加えて透過液を容器内の各エレメントに通過させる段階、そして
ｃ．容器から透過溶液および濃縮溶液を取り出す段階
からなり、ここで容器の出口の加圧と浸透圧との差により除された容器の入口の加圧と浸透圧との差が２より大きいことを特徴とする水を精製する方法。
【請求項３０】
下流エレメントが、１．５Ｌ／ｍ２／時／バールより大きい標準比透過流束を有する請求項２９の方法。
【請求項３１】
供給溶液が、容器の入口で２０バールより高い浸透圧を有する請求項２８の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、らせんに巻かれた逆浸透またはナノ濾過のエレメントを含む容器に溶液を通過させることにより、高い浸透力の溶液特に海水を処理する装置および方法である。本発明は、容器内で透過流束のさらに均一な分布を可能にする。従来の方法に比べて有利な性能の特性は、より高い容器の生産性、増加した回収率および加えられる圧力に関するより少ない必要条件を含む。
【背景技術】
【０００２】
浸透は、それにより溶媒が半透膜を通過しそして低い溶質濃度の溶液から高い溶質濃度のものに移動し、後者を希釈するプロセスである。逆浸透（ＲＯ）では、圧力は、膜の高い溶質濃度の側に加えられそして浸透を推進する化学的ポテンシャル勾配は、逆転する。その結果、高い溶質濃度から低い溶質濃度へ膜を通る溶媒の流れが生じ、それは精製した溶媒の溶液を生成する。逆浸透は、海水から飲用に適した水を生成するのに現在一般に使用されている。
【０００３】
ナノ濾過（ＮＦ）は、膜へ加えられる圧力が浸透圧の差を超えそして水を強制的に膜に押し込む点で逆浸透に似ている。ナノ濾過膜は、いくつの塩が実質的に通り一方他の塩が選択的に保持される事実により区別される。ＮＦは、低い塩濃度を有する供給液の流れに最も普通に使用されるが、しかしそれは、また海水から成分を選択的に取り出すのに使用されている。例えば、特許文献１は、海水から硬度（ｈａｒｄｎｅｓｓ）イオンを有利に取り出す予備処理としてＮＦを使用することを記載している。特許文献２は、ボーリングした穴への注入前に海水中の硫酸塩イオンを低下させる手段としてのＮＦの使用を記載している。
【０００４】
ＲＯおよびＮＦの膜は、一般に、一連のらせんに巻かれたエレメントにより構成される。それは、これらのエレメントが、小さい体積に大きな膜面積を充填することができるからである。水の精製に使用されるらせんに巻かれたエレメントの構築は、当該技術に記載されている。（特許文献３および４参照）。らせんに巻かれたエレメントおよびそれに対応する容器は、種々の標準の直径（例えば、４．５、６．３、１０、１５、２０ｃｍ）で市販されているが、公称２０ｃｍの直径を有する１ｍの長さのエレメントは、現在、大きなシステムにおいて標準品である。海水の使用では、それぞれ２０ｃｍの直径のエレメントは、一般に、２６．５ｍ２（２８５ｆｔ２）から３５．３ｍ２（３８０ｆｔ２）の活性膜面積を含む。
【０００５】
図１は、代表的ならせんに巻かれたエレメントを示す。１つ以上の膜の覆い（２）および供給液スペーサーシート（４）は、中心の透過液収集管（６）に１つの端で付着される。覆い（２）は、透過液担体シート（１０）を囲む２つのほぼ長方形の膜シート（８）からなる。この「サンドイッチ」構造は、３つの縁（１４、１６、１８）に沿ってともに保持されるが、一方覆い（２）の第四の縁（２０）は、透過液担体シート（１０）が透過液収集管（６）の開口と流体接触するように透過液収集管（６）と接する。供給液スペーサーシート（４）は、それぞれの覆い（２）を分離する。供給液スペーサーシート（４）は、エレメントの両端（２４、２６）と流体接触し、そしてそれは、膜（８）の前面（２８）にわたって供給溶液のための導管として働く。供給液スペーサーシートおよび覆いは、構造が円筒状の形状を形成しそしてハウジングに置かれるように透過液収集管の周りに巻かれる。
【０００６】
操作中、供給液は、膜の表面上をハウジングの１つの端から他の端へ流れる。水がフィルムを通って流れそして透過液管に入るにつれ、溶質は供給液水中でさらに濃縮されるようになり、それは濃縮液または保持液とよぶことができ、そして供給液の流れが耐圧容器を出るとき、出るものも濃縮液または保持液とよばれる。
【０００７】
らせんに巻かれたエレメントが逆浸透のために機能するには、供給液の流れは加圧されねばならない。そのため、らせんに巻かれたエレメントは、耐圧容器内で操作される。一般に、耐圧容器は、直列に接続した１つより多いエレメントを含む。この耐圧容器は、当業者にとり周知であり、そして特許文献５および６に例示される。耐圧容器は、他の耐圧容器と直列または並列にさらに組み合わされて膜濾過システムを生成する。市販のＲＯの使用では、大きな濾過システムは、１００００より多いエレメントからなり、通常それぞれ４−８のエレメントを含む耐圧容器に分散される。
【０００８】
図３に関して、耐圧容器（４０）は、供給溶液を容器中に通しそして濃縮溶液を取り出すために相対する末端（４６、４８）で開口（４２、４４）を有する。供給溶液は、容器（４０）の入口末端（４６）にある先頭エレメントから、中間エレメント（５２）を横切って、容器（４０）の反対の出口末端（４８）にある後端エレメント（５４）に流れる。エレメントと容器との間の塩水シール（５６）は、この供給液の流れがエレメントをバイパスするのを防ぐことができる。相互接合具（５８）は、隣接するエレメントの透過液管（６）を接続するのに使用され、合わせた透過液は、容器（４０）の少なくとも１つの透過液開口（６２）から取り出される。相互接合具の代わりとして、隣接するエレメントへの直接的な接合を可能にするエンドキャップがエレメントに使用でき、これらのエンドキャップは、特許文献７に記載されている。
【０００９】
らせんに巻かれたエレメントの製造者は、システムデザイン用のガイドラインとして操作の限界を濾過システムデザイナーに提供している。一般に、エレメントに関する適用圧の上限、最大の供給液流量、最小の濃縮液流量および最大の回収率（供給液の体積により除された透過液の体積）は、すべて特定できる。例えば非特許文献１参照。製造者は、ＦＩＬＭＴＥＣ（商標）ＳＷ３０ＨＲ−３８０海水エレメントについて操作の限界を示唆しており、それらは、オープンインテークを使用して＜６９バール（＜１０００ｐｓｉ）の適用圧、＜３３８ｍ３／ｄ（＜６２ｇｐｍ）の供給液の流れ、および＞９８ｍ３／ｄ（＞１８ｇｐｍ）の濃縮液の流量を含む。最大のエレメント回収率が、しばしば、供給液および濃縮液の流れの明細を取り替えているが、他の製造者も、同様なガイドラインを設定しており、また最近海水システムにさらに高い加圧を行うことを可能にする動きが存在する。
【００１０】
一般に、所定の耐圧容器中のエレメントは、透過流束、流れ、回収率および物理的なサイズについて同じ明細を有する同じタイプから選択される。加圧された供給液は、エレメントのそれぞれを通って軸方向に流れるが、その間透過液管は互いに接続されそして供給液からシールされる。供給液が連続するエレメントを通って流れるにつれ、供給液中の溶質の濃度は上がり、そして透過流束（膜の単位面積あたりの透過液の体積の流量）は低下する。透過流束の低下は、膜の利用性を低下させる。耐圧容器の入力から出力への透過流束の変化は、また透過流束の不均衡と呼ばれる。透過流束の不均衡は、上流エレメントの分極化および下流エレメントの低い透過流束のために、ファウリングを生じさせそして全体の水の品質を低下させる。図２は、耐圧容器の入口からのエレメントの位置の距離を長くする関数として、代表的な耐圧容器内のらせんに巻かれたエレメントの透過流束における低下を示している。阻止された水が濃縮されそして供給液の浸透圧が上昇するにつれ、透過流束は、容器の入口末端から出口末端へ減少する。
【００１１】
耐圧容器中の透過流束の低下は、高い浸透圧を有する溶液例えば海水では、より顕著になる。逆浸透では、膜を通る透過流束は、全推進圧力に本質的に比例する。全推進圧力は、加えられる圧力から、透過液圧力および膜の浸透圧の差の両者を減ずることにより計算される。分極化がないときには、非常に阻止する膜の浸透圧の差は、供給溶液の浸透圧にほぼ等しい。例えば、３．５％の代表的な塩分濃度を有する溶液では、入口（先頭エレメント前）での浸透圧は、約２６バール（約３８０ｐｓｉ）であろう。この代表的な溶液が、４０％の回収率でらせんに巻かれたエレメントを通過した後では、濃縮液は、そのとき約５．８％の塩分濃度を有しそして出口（最後のエレメント後）での浸透圧は、約４４バール（約６３０ｐｓｉ）であろう。連続するエレメントへの供給液に関する浸透圧の上昇は、全推進圧力および下流エレメントに関する透過流束を劇的に低下させる。この問題は、それぞれのエレメント内の供給液の流れに対する液圧の抵抗性によりさらに悪化し、容器の圧力を低下させる。浸透圧の上昇と圧力の低下との両者は、透過流束の不均衡の原因になり、海水のような浸透力の高い溶液では、浸透力は特に重要になる。
【００１２】
もし濾過システムのデザイナーが、耐圧容器中の最後のエレメントの透過流束を最大にするためにらせんに巻かれたモジュールを選ぶならば、上流ユニットは、製造者により推奨されるのよりも高い透過流束を有するだろう。高い最初の透過流束は、ファウリングおよびスケールによりらせんに巻かれたエレメントの寿命を実質的に短くする。高い透過流束は、また濃度の分極化を促進し、膜の有効な阻止率を低下させる。しかし、下流エレメントの低い透過流束も、生産性の低下のために望ましいものではなく、低い透過流束は、透過液中の高い溶質濃度を意味し、そのため回収率を低下させる。
【００１３】
エレメントの製造者は、濾過システムのデザインに使用するためにらせんに巻かれたエレメント用の操作ガイドラインを提供している。一般に、ガイドラインは、適用される圧力の上限、最大の供給液流量、最小の濃縮液流量、最大の回収率（供給液の体積により除された透過液の体積）および最大の透過流束を含む。以下の表２のエレメントは、すべて、代表的な海水テスト中約２３ｍ３／日（６０００ｇｐｄ）の流れを有する。これは、海水操作のための５５−６９バール（８００−１０００ｐｓｉ）の通常の範囲と一致する。代表的な浸透力では、３２．５ｍ２（３５０ｆｔ２）の活性面積を有する２３ｍ３／日の海水エレメントは、透過流束についてしばしば引用される上限である３４Ｌ／ｍ２／時（２０ｇｆｄ）より低く、５５バール（８００ｐｓｉ）で操作することが保証されている。時間の経過によるファウリングおよび温度と浸透力とにおける差は、６８．９バール（１０００ｐｓｉ）においてすらまたは或る条件では８２．７バール（１２００ｐｓｉ）においてすら、これらの制限内に同じエレメントを維持できる可能性がある。
【００１４】
透過流束とファウリングとの間の関係は研究されてきており、そして透過流束のガイドラインは、異なる水のファウリングの可能性にしばしば基づく。ファウリングの可能性を特徴づける共通の用語は、海水への適用において透過流束の限界を確立するのに使用されるよごれ指数［Ｓｉｌｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｉｎｄｅｘ（ＳＤＩ）］である。製造者は、一般に、特別なタイプのエレメントについて最大の透過流束を特定するか、またはそのエレメントが使用される水精製システム全般の平均の透過流束を特定するかの何れかである。
【００１５】
透過液の生成の減少に加えて、透過流束の不均衡はファウリングの原因になり、そして上流エレメントの分極化および下流エレメントの低い透過流束により全般的な水の品質を低下させる。一般に、デザイナーは、高い浸透力の適用のために低い透過流束を有するエレメントの使用によりこの問題を解決する。低い透過流束を有するエレメントを使用することによって、高い圧力が直列の初めのエレメントに適用でき、一方そのエレメントからの透過流束は、製造者により推奨される最大の透過流束より低く維持される。比較的高い適用圧は、容器の先頭末端から後端末端への浸透圧の変化を、最初の全推進圧の比較的小さい部分に維持することを可能にする。
【００１６】
透過流束の不均衡の問題を解決するための他の手段は、海水システムの回収率を制限することであった。従来の海水システムは、透過流束の制限を超えないように約４０−４５％の回収率で操作する。もしより高い回収率が利用できるならば、より少ない水が予備処理をうけ、操作費および投資費用の両者を低下させるだろう。容器あたりの高い回収率は、必要な耐圧容器の数および関連する維持コスト（例えば、パイピング、電力費、エレメントおよび容器）の両者を低下させることによって、システムのＲＯ部分に関するコストを低下できる。また、回収率の増大は、高圧に上げねばならない水を少なくすることを意味し、そしてこれは、操作中のエネルギー回収における自然発生の非能率による経済的損失を最低にする。最後に、回収率の増大は、プラントの排出物の体積を減少できる。容器で得られることのできる回収率およびそれに伴う利点は、従来、先頭末端でのファウリングの恐れおよび後端末端での低い流れ（透過液および濃縮液の両者に関する）により制限されてきている。
【００１７】
容器内のエレメントの数を増やすことは、初めのエレメントの過剰の透過流束を防ぎつつその容器の回収率を最大にする１つの手段を提供する。しかし、エレメントの数の増加は、一般に、非常に低い透過流束で操作する容器中の最後のエレメントを生じ、得られた透過液の品質は、より少ない水がこれらの最後のエレメントを通過するために、低下する。エレメントの数を増加することは、耐圧容器の長さを長くし、そのため既に設置されている耐圧容器を有する現存の施設より新しい施設に好適である。さらに、これらのシステムのためのコストは、エレメントのより多い数およびより長い容器への要求のために、増大する。
【００１８】
システムの性能に対する透過流束の不均衡の影響を緩和する他の方法は、らせんに巻いたエレメントのタイプ内の流量の可変性を利用する。デザイナーまたは製造者は、エレメントの流量をテストし、流れに従ってエレメントを分類するかまたは整理し、そして各容器内で特定の個々のエレメントの位置を（例えば、シリアル番号により）特定する装填プランを提供する。このアプローチに関する不利な点の１つは、エレメントをテストし分類するのに必要な労力、および各容器への装填プランの必要性である。他の不利な点は、たった１つのタイプのエレメントが代表的に所定のプロジェクト全体に使用されそして流量の範囲が個々のエレメント間の可変性を制限することである。
【００１９】
エレメントの透過流束をコントロールしつつ海水の経済性を改善する他の方法が記述されている。特許文献８は、初めの段階における背圧または段階間のブーストを有する多段の段階からなるシステムを記載している。しかし、この方法は、ポンプ、配管および余分な耐圧容器に関する追加のコストを要する。さらに、これらの２段階システムは、しばしば、非常に高い圧力で少なくとも１つの段階により操作するようにデザインされ、そしてこれは装置をより高価にする。特許文献９。別の方法として、海水の改善された予備処理が、より高い平均の透過流束のガイドラインを可能にしそして透過流束の不均衡についてより大きな許容性を可能にするのに使用できる。これは、また、追加の投資（この場合予備処理について）を要し、そして予備処理がファウリングに対して有する影響を前もって定量することは難しい。最後に、非常に能率的なエネルギー回収装置が、実質的に低い回収率をより経済的に競合できるようにするために使用されている。低い回収率は、海水システム内の透過流束の不均衡を制限する。しかし、この方法は、エネルギー回収のための追加の装置を含み、そして予備処理される水の体積がより大きいことによりコストを上昇させる可能性がある。
【００２０】
透過流束の不均衡を扱うことに加えて、高い浸透力を有する溶液を処理するための改良は、供給液スペーサーを変化させることによりらせんに巻かれたエレメントの両側の濃度の分極化を低下させることである。らせんに巻かれたエレメントの供給液スペーサーは、膜の表面の全域で供給液の流れのための路をもたらす。それは、また、濃度の分極化を低下させる膜表面での混合を生じ、膜を通る物質の移動を増大させる。この増大した物質の移動の代価は、らせんに巻かれたエレメントの長さ方向の圧力低下の増加であり、直列の個々のエレメントに関する圧力低下の合計は、容器の圧力低下を生ずる。供給液スペーサーの最近の例は、本明細書で参考として引用される特許文献１０に記載されている。
【００２１】
【特許文献１】米国特許６５０８９３６
【特許文献２】米国特許４７２３６０３
【特許文献３】米国特許５５３８６４２
【特許文献４】米国特許５６８１４６７
【特許文献５】米国特許６０７４５９５
【特許文献６】米国特許６１６５３０３
【特許文献７】米国特許６６３２３５６
【特許文献８】米国特許６１８７２００
【特許文献９】米国特許６２７７２８２
【特許文献１０】米国特許出願２００３−０２０５５２０
【非特許文献１】“Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ  ｆｏｒ  ８−ｉｎｃｈ  ＦＩＬＭＴＥＣ（ＴＭ）Ｅｌｅｍｅｎｔｓ”，Ｆｏｒｍ  Ｎｏ．６０９−２１０１０−７０２ＸＱＲＰ，ＦｉｌｍＴｅｃ  Ｃｏｒｐ．，Ｅｄｉｎａ，ＭＮ，１２／１８／０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
逆浸透は、脱塩した海水の現在の全世界の生産の約４０％に相当する。必要な大きな設備を含む逆浸透脱塩の経済性は、この技術の成長を制限している。耐圧容器の改善された能率は、必要な耐圧容器の数を低下させ、そのため装置のための投資を減少させるだろう。さらに、水の同じ処理量で低い適用圧で操作されると思われる耐圧容器は、操作コストを低下させるだろう。より均一な透過流束分布、より高い平均操作透過流束およびより高い回収率で操作される水濾過システム用の改良された耐圧容器は、また、改善された能率およびより低い適用圧で操作されて、海水の脱塩のための逆浸透の経済性を改善するものと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、高い浸透力の溶液を処理するための膜濾過システムにおける耐圧容器を改良し、そして海水脱塩システムに有用である。膜濾過システムにおける所定の耐圧容器は、以下に詳述されるような実質的に異なる標準比透過流束を有しそして選択された供給液スペーサー標準圧力勾配を所望により有する少なくとも３つのらせんに巻かれたエレメントを含む。耐圧容器内のらせんに巻かれたエレメントの配列は、同じ標準比透過流束または同じ供給液スペーサーのエレメントを使用する場合よりもより均一な透過流束分布、より高い平均操作透過流束およびより高い回収率を可能にする。エレメント間の標準比透過流束は、少なくとも１．５そして好ましくは２．０の係数で異なる。
【００２４】
容器内で大きく異なる標準比透過流束を有するエレメントを組み合わせることは、従来のシステムに比べて、より高い回収率またはより低いエネルギーで製造者のガイドライン内で操作することを可能にする。好ましい態様では、海水の脱塩に使用される耐圧容器は、少なくとも１．５Ｌ／ｍ２／時／バールの標準比透過流束を有する下流エレメント（好ましくは後端エレメント）を有する。上流エレメント（好ましくは前端エレメント）が１．０Ｌ／ｍ２／時／バールより低い標準比透過流束を有することも望ましい。
【００２５】
容器中のエレメントは、また、異なる供給液スペーサーを有することができ、それらは異なる標準圧力勾配により表示される。好ましくは、最後のエレメントの供給液スペーサーに関する標準圧力勾配は、最初のエレメントのそれより少なくとも５０％大きい。
【００２６】
さらに、本発明は、同じ容器中の下流エレメントとは独立して耐圧容器の１つ以上の上流のらせんに巻かれたエレメントの透過液の流れを取り出す手段を含むことができる。
【００２７】
本発明は、並列で接続された２つ以上の耐圧容器を有する膜濾過システムをさらに含む。並列の耐圧容器は、それぞれ、実質的に異なる標準比透過流束そして所望により供給液スペーサー圧力勾配を有する３つ以上のエレメントを有する。さらに、並列の耐圧容器内の対応する位置でのエレメントは、同様な標準比透過流束そして所望により供給液スペーサー標準圧力勾配を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図３および４は、モジュール中の異なる標準比透過流束そして所望により異なる供給液スペーサーシートを特徴とする異なるタイプの少なくとも３つのらせんに巻かれたエレメントを容器が有する濾過システムに使用される耐圧容器である。
【００２９】
比透過流束は、膜についてしばしば使用され、そして全推進圧力により除される透過流束（活性膜の単位面積あたりの透過液の体積の流量）として通常理解される。全推進圧力は、前述のように、加えられる圧力から、透過液圧力および膜の両側の浸透圧の差を減ずることにより計算される。比透過流束は膜の特徴であって、温度、濃度および適用圧の関数として変化するが、それは予想可能である。さらに、現場で操作されるすべてのエレメントの膜の比透過流束は、エージング、ファウリングおよび圧縮によって変化を受ける。
【００３０】
らせんに巻かれたエレメントに標準の値を決めるには、らせんに巻かれたエレメントの有用な寿命内の特定な時点を特定することを要する。本発明の目的のために、本発明者は、最初の操作の２４時間後（膜の平衡を可能にする）に行われるテストで規定されるものをらせんに巻かれたエレメントの標準比透過流束として定義しているが、このテストの結果後の次の変化は、実質的なファウリングの不存在で比較的小さくなければならない。らせんに巻かれたエレメントに関する標準比透過流束は、供給液中の３２０００ｐｐｍのＮａＣｌ、８％の回収率、２５℃そして２７Ｌ／ｍ２／時（１６ｇｆｄ）の平均透過流束によるテストを使用して決められる。さらに詳細には、らせんに巻かれたエレメントに関する標準比透過流束は、圧力を示すＰ（ただしＰはテスト中測定可能な量から計算される）により除された平均透過流束（２７Ｌ／ｍ２／時）として定義される。
【００３１】
【数１】
2007523744.tif 000003
【００３２】
（式中、Ｐｆｅｅｄは、エレメントの入口側に適用される圧力であり、Ｐｃｏｎｃは、エレメントの反対の末端（濃縮液側）に適用される圧力でありそしてＰｃｏｎｃは、供給液スペーサー内の流れに対する抵抗によりＰｆｅｅｄより一般に小さく、Ｐｐｅｒｍは、透過液がらせんに巻かれたエレメントを出る点での適用圧でありそしてテスト中のこの背圧は一般に非常に小さく、πＦｅｅｄＡｖｇは、エレメントに入る供給溶液およびエレメントを離れる濃縮溶液の等体積を混合することにより形成される溶液の浸透圧であり、πｐｅｒｍは、透過液溶液の浸透圧である）。Ｐはらせんに巻かれたエレメントに関する平均全推進圧力に近似していることに注意すべきである。（平均全推進圧力を計算するために、πＦｅｅｄＡｖｇは、膜の表面の平均浸透圧により置換されるだろう。）標準比透過流束に関するこの定義は、浸透圧に対する分極化の影響を含まず、そのためＰは、全推進圧力をやや過大に見積もっているが、計算をより簡単にすることができる。
【００３３】
らせんに巻かれたエレメントの標準比透過流束のこの定義は、独特かつ容易に決定されるパラメーターを特定する一方、容認されている産業上の実際と一致する。平衡への２４時間の期間は、エレメントの性能を特定するのに普通に行われている。テスト条件（８％回収率、２５℃および３２０００ｐｐｍのＮａＣｌ）は、高い標準比透過流束を有するエレメントに関する代表的な最大の透過流束ガイドラインを越えることなく、海水生成物を特徴づけるのに使用されるテストと一致する。
【００３４】
非常に大きい透過流束は、過剰な分極化および流れに対する実質的な内部抵抗例えば透過液担体シート内の抵抗を生ずる。これらの作用は、さらに代表的な透過流束条件（１２−１７Ｌ／ｍ２／時）の下で要求される適用圧を過大に見積もることになる。本発明では、らせんに巻かれたエレメントの標準比透過流束は、測定プロセス中２７Ｌ／ｍ２／時の平均透過流束を規定するテストの条件で定義される。標準比透過流束は、らせんに巻かれたエレメントの透過流束が３４Ｌ／ｍ２／時（２０ｇｆｄ）を超えない限り、代表的な海水のテストの結果（平均透過流束およびＰ）から見積もることができる。
【００３５】
例として、良好な阻止率および最小の供給液スペーサーの圧力低下を有するらせんに巻かれたエレメントでは、上記のＰは、代表的な５５．２バール（８００ｐｓｉ）の海水テストにおいて約２７．６バール（４００ｐｓｉ）に相当する。２１．２ｍ３／日（５６００ｇｐｄ）の３２．５ｍ２（３５０ｆｔ２）のエレメントは、２７Ｌ／ｍ２／時（１６ｇｆｄ）の透過流束を有しそして約１．０Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０４ｇｆｄ／ｐｓｉ）の標準比透過流束に相当する。
【００３６】
本発明では、容器内の少なくとも３つの個々のエレメントが、標準比透過流束の実質的に異なる値を有することが要求されるが、容器内の少なくとも２つそして好ましくは３つのエレメントが異なる認められたクラス（またはタイプ）に属し、これらの異なるエレメントのタイプの標準比透過流束が実質的に変化することこそ、より望ましい。同じタイプのエレメントは、同様に構築されそしてそのタイプのエレメントのグループに対応する別の名称を有して、製造者により供給される。
【００３７】
らせんに巻かれたエレメントのタイプのための標準比透過流束は、そのタイプ（またはクラスまたはモデル）に属する個々のエレメント（少なくとも２０）の代表的な集団に関する標準比透過流束の平均値として定義できる。本発明では、容器内の少なくとも３つの個々のエレメントが、標準比透過流束の実質的に異なる値を有することが要求され、そして容器内のこれらの３つのエレメントが、異なる認められたクラス（またはタイプ）に属し、これらの異なるエレメントのタイプの標準比透過流束が実質的に変化することこそさらに望まれる。
【００３８】
同じタイプのエレメントは、同様な構造を有し、そしてそのタイプのエレメントのグループを表示するブランドまたは製品名または数によりタイプをしばしば同定する製造者によって供給される。
【００３９】
本発明者は、容器内のエレメントの１つより多いタイプの使用が、広範囲の標準比透過流束を有するエレメントの選択を可能にし、そして耐圧容器の性能における実質的な改良を生ずることを見いだした。本発明で使用されるとき、らせんに巻かれたエレメントのタイプは、１．１以下の変分比の平均および係数すなわち母集団平均により除された母集団標準偏差を有する標準比透過流束値の分布をもつエレメントのユニークな母集団を特徴とする。本発明で使用される個々のエレメントが、対応するエレメントのタイプに関する平均標準比透過流束よりも２０％低い標準比透過流束を有することが好ましい。より好ましいのは、この偏りが１５％より小さいことである。
【００４０】
本発明者は、また、容器内のそれぞれの位置でエレメントのタイプを特定することが、特に、特定のタイプ内でエレメントをテストし分類することに依存するシステムと比較して、いくつかの並列の容器を有する大きなシステムにおいて実質的に簡単な装填プロセスを可能にすることを見いだした。本発明者は、容器内の任意の１つの位置で、エレメントの標準比透過流束に関する容器間の偏りが少ないことを見いだした。
例として、表１は、製造者の特定した流れ、面積およびテスト条件からＦｉｌｍＴｅｃ海水エレメントの４つのタイプについて計算した標準比透過流束値を示す。
【００４１】
【表１】
2007523744.tif 000004
【００４２】
表２は、いくつかの長さ１ｍ、直径２０ｃｍの市販の海水エレメントにおける流れおよび塩の通過に関する製造者の文献値をリストしている。市販の海水処理装置に関する流れが製造者間でかなり一致していることは注目に値する。３２．５ｍ２（３４０ｆｔ２）の活性膜面積を使用して、表２のエレメントに関する標準比透過流束は、すべて、０．７４Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０３ｇｆｄ／ｐｓｉ）から１．２３Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０５ｇｆｄ／ｐｓｉ）の間に入る。
【００４３】
Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓの文献からのデータを使用して、１９８０年代の半ばにおける芳香族ポリアミド膜の工業的な導入以来、海水エレメントが約１．０Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０４ｇｆｄ／ｐｓｉ）の標準比透過流束を有してきたことを計算できる（Ｍ．Ｗｉｌｆ  ａｎｄ  Ｋ．Ｋｌｉｎｋｏ，“Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ａｎｄ  ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ  ｏｆ  ＲＯ  ｓｅａｗａｔｅｒ  ｄｅｓａｌｔｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ”，Ｈｙｄｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．，Ｊｕｎｅ  １９９８）。１．０Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０４ｇｆｄ／ｐｓｉ）の値は、先頭エレメントの過大な透過流束を実質的に防ぐ。それは、海水脱塩用のエレメントが、約５５バール（８００ｐｓｉ）から６９バール（１０００ｐｓｉ）の適用圧そして通常２４バール（３５０ｐｓｉ）から３１バール（４５０ｐｓｉ）の供給液の浸透力で操作されるからである。
【００４４】
【表２】
2007523744.tif 000005
【００４５】
１．０Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０４ｇｆｄ／ｐｓｉ）を有する膜は、一般に、多数のエレメントの容器内で生ずる透過流束の不均衡を許容する海水処理に使用される。高い浸透力を有する供給溶液例えば海水中で高い標準比透過流束を有するらせんに巻かれたエレメントをもつ耐圧容器を操作することは、一般に、大きな透過流束の不均衡を生ずる。先頭エレメントの大きい透過流束は、容器中の次のエレメントに供給される濃縮液中に高い溶質の濃度を生ずる。供給液の増大した浸透力は、容器中の次のエレメントを実質的に小さい透過流束で操作させる。これは、以下の比較例３および４で立証される。０．９８Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０４ｇｆｄ／ｐｓｉ）の標準比透過流束を有するエレメントの容器は、５Ｌ／ｍ２／時から３４Ｌ／ｍ２／時に及ぶ操作透過流束の上限および下限を示した。しかし、１．１９Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０７ｇｆｄ／ｐｓｉ）の標準比透過流束のエレメントによる同様なシミュレーションでは、３．３Ｌ／ｍ２／時／バール（１．９ｇｆｄ）のかなり小さい透過流束は、出口末端付近で生じ、そして４４Ｌ／ｍ２／時／バール（２６ｇｆｄ）の遙かに大きい透過流束は、容器の入口末端付近で生ずる。
【００４６】
本発明は、かなり大きな流れを有する標準サイズの海水エレメントを使用することを可能にする。本発明は、容器内に１つより多いタイプのエレメントが存在することを必要とする。特に、容器中の下流エレメントの標準比透過流束は、同じ容器中の上流エレメントの標準比透過流束よりも少なくとも５０％大きく、そしてさらに好ましくは、少なくとも１００％大きい。この下流エレメントが、１．５Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０６１ｇｆｄ／ｐｓｉ）より高い標準比透過流束を有することが最も好ましい。
【００４７】
高い標準比透過流束を有するエレメントが、また、比較的低い溶質透過係数を維持することが望ましい。Ｂ値としばしば呼ばれる溶質透過係数は、塩が膜を通って拡散する速度を決める。（例えば、Ｏｓａｄａ  ａｎｄ  Ｎａｋａｇａｗａ，Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｐｔｅｒ  ９，“Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ”，Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９２参照）。溶質透過係数は、浸透膜の基本的なパラメーターの１つであるが、その値は、溶質の組成そして特に温度により変化することが知られている。操作条件の特定の設定では、膜Ｂｍｅｍの溶質透過係数は、以下の式に従って透過流束Ｊおよび固有溶質通過Ｃｐ／Ｃｍから計算できる。
【００４８】
【数２】
2007523744.tif 000006
【００４９】
この式において、ＣｐおよびＣｍは、それぞれ、透過液中の溶質の濃度および供給液側の膜の表面上の溶質の濃度を表す。膜の表面上の濃度は、濃度の分極化のために供給液中の濃度より高い。
【００５０】
本発明では、らせんに巻かれたエレメントの標準溶質透過率は、同様に定義されるが、ただし、パラメーターが標準比透過流束について特定されたテスト条件下で得られる追加の要件がある。詳細には、測定は、２５℃、供給液中の３２０００ｐｐｍのＮａＣｌ、８％の回収率そして２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束を使用する操作の２４時間後に行われる。さらに、標準溶質透過率Ｂｅｌｅは、エレメントに入る供給溶液とエレメントから出る濃縮溶液との等体積を混合することにより得られたＮａＣｌの濃度に相当する平均供給液濃度Ｃｆで定義される。簡略化された式は濃縮の分極化の影響を説明することができないが、それは必要なパラメーターのより簡単な測定を可能にする。
【００５１】
【数３】
2007523744.tif 000007
【００５２】
本発明では、標準溶質透過率は、異なるエレメントを比率により比較するのに使用される。らせんに巻かれたエレメントの標準溶質透過率は特定のテスト条件に基づいて規定されるが、温度、濃度および回収率が２つのテストについて同じであるならばそしてテストで測定された透過流束が３４Ｌ／ｍ２／時（２０ｇｆｄ）より小さいならば、２つのエレメントについてこの比率を近似させることができる。
【００５３】
容器内の直列の最後のエレメントは、他のエレメントよりも高い供給液中の塩濃度で操作され、そのため低い阻止率がシステムの性能に強く影響し、そして後端エレメントの塩の阻止率が高いことが重要である。後端エレメントが、２５℃、供給液中の３２０００ｐｐｍのＮａＣｌ、８％回収率および２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束の標準テスト中それ自体で操作するとき、飲用に適した水にするのに少なくとも十分に良好な塩の阻止（＜５００ｐｐｍ）を行うことが好ましい。さらに好ましくは、阻止率は、このテストにおいて瓶詰めの水の品質（＜３００ｐｐｍ）のものでなければならない。ＮＦ処理の場合、ＮａＣｌの実質的な通過（上記のテスト条件で２０％より大きいＮａＣｌの通過）は、容器内のすべてのエレメントについて望ましいが、エレメントが高い阻止率の他のコンポーネントを有することも望ましい。容器内の異なる標準比透過流束のエレメントを使用する海水ＮＦ処理では、２５℃、８％の回収率および２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束の条件を使用して３２０００ｐｐｍのＮａＣｌおよび２０００ｐｐｍのＭｇＳＯ４からなる供給液についてエレメントが個々にテストされるとき、硫酸塩の通過が容器中の任意のエレメントについて１％より少ないことが好ましい。
【００５４】
本発明の追加の側面は、容器内で異なる供給液スペーサーを有するらせんに巻かれたエレメントをもつことである。供給液スペーサーは、本明細書で参考として引用される米国特許出願２００３−０２０５５２０を含むいくつかの特許および特許出願に記載されている。らせんに巻かれたエレメントの供給液スペーサーは、膜の表面を通る供給液の流れに路を設ける。それは、また、濃度の分極化を低下させる膜表面での混合を生ずる。この増加した物質の移動の損失は、エレメントの長さ方向の圧力低下の増大であり、そして直列の個々のエレメントに関する圧力低下の合計は、容器の圧力低下を生ずる。
【００５５】
膜表面での混合は、高い浸透力の溶液の場合に特に重要である。本発明者は、下流エレメントそして特に直列の最後のエレメント（浸透力が最大でありしかも圧力低下が容器の性能に最小の影響を有する）について混合がより激しくなるように供給液スペーサーを選択することが、容器の性能を改良することを見いだした。容器中の先頭エレメントと後端エレメントとが異なる供給液スペーサー物質を使用することは本発明の範囲内にあり、そして最後のエレメントの供給液スペーサーの標準圧力勾配が、最初のエレメントの供給液スペーサーの標準圧力勾配より少なくとも５０％大きいことが最も好ましい。
【００５６】
供給液スペーサーの標準圧力勾配は、透過液の流れがブロックされている間、２５℃の水がエレメントを通過することにより測定される供給液の流れの方向の圧力勾配（単位距離あたりの圧力低下）であると本発明では定義される。このテストは、エレメント内の活性膜面積に比例するものとして水の体積流量を特定し、そして体積流は、エレメントの長さに対して反比例するだろう。例えば、長さ１ｍの３５．３ｍ２（３８０ｆｔ２）のエレメントでは、標準圧力勾配を測定するのに使用される流量は１９０ｍ３／日である。標準圧力勾配が少なくとも０．４バール／ｍであることが最も好ましく、それはエレメントの長さ１ｍあたり約６ｐｓｉの圧力低下に相当する。
【００５７】
本発明により可能になった高い回収率は、一般に、膜表面を通って流れる供給溶液の体積を減少させる。この減少した供給液の速度は、分極化を増加させ、透過流束を低下させそしてファウリングを促進し、そのため、それは、最大の回収率のためのらせんに巻かれたエレメントの製造者の明細の範囲外で操作することになる。これらの理由から、エレメントは、膜の表面を通る供給液の流速が比較的速い速度に維持されるように、容器内に設定される。供給液の流速は、耐圧容器中の各エレメントの供給液スペーサーの断面積を変えることによりコントロールできる。供給液スペーサーの断面積は、活性膜面積の半分を供給液スペーサーの厚さに乗じそしてエレメントの長さで除することにより計算される。
【００５８】
好ましい態様では、容器中の下流エレメントは、先頭エレメントのそれより少なくとも１５％小さい、そしてさらに好ましくは３０％小さい供給液スペーサー断面積を有する。エレメントが＜１５％回収率のガイドラインに従って操作されるとき、直列の最後のエレメントを通る供給液の速度は、直列の前の１つまたは２つのエレメント内の速度より速い。さらに、このらせんに巻かれたエレメントが、容器の内径より実質的に小さい外径を有するとき、エレメントの外表面と耐圧容器の内表面との間の塩水シールは、供給液の流れがエレメントをバイパスするのを防ぐ。
【００５９】
本発明の他の側面では、少なくとも１つの流れのエレメントからの透過液を、隣接する耐圧容器中に流すよりもむしろ耐圧容器から回収する。これは、透過液の圧力を低く保つことにより隣接するエレメントで推進圧力を維持することができる。透過液は、新しい出口を通るかまたは耐圧容器の前端の透過液チャンネルを通るかの何れかで耐圧容器から取り出される。米国特許４０４６６８５は、容器の前端および後端の両方から透過液の流れを取り出しそして相対する末端でエレメント中に発生した透過液を別けることを教示している。図４に画かれているように、この場合では、容器（４０）は、その両端で透過液開口（６２、６４）を有し、流体が末端エレメント（５９、５４）の透過液管（６）と外部パイプとの間を通る手段をもたらす。透過液の流れへのバリヤー（６６）は、容器の相対する末端でエレメントから離れる２つの透過液の流れを隔離する。バリヤー（６６）は、エレメントの間または１つのエレメントの透過液管（６）内に配置され、そしてそれは２つの透過液の流れが実質的に混合するのを防ぐ。流れへのバリヤーが実質的な混合を防ぐために不透過性であることは要求されない。しかし、透過液の相互接合具が使用されるとき、バリヤーは、隣接するエレメントの透過液管を接続するために容器（４０）内で使用される透過液の相互接合具（５８）の流れに対して少なくとも５の係数を超える流れに対する抵抗を有しなければならない。従来のデザインでは、透過液の流れのこの隔離は、最良の品質の透過液を容器（４０）中の上流エレメントから取り出すことを可能にする。同時に、より高い標準比透過流束の下流エレメントを使用することは、容器（４０）の後端（４８）からの透過液の多い流れ（良好な透過液の品質を有する）を可能にする。操作条件に応じて、下流エレメントからの水は、工業用、飲用または瓶詰めの水に適している。この透過液の流れを、追加の処理段階にかけたり、またはそれをブレンド処理に使用することができる。
【００６０】
透過液の流れに対するバリヤーが本質的に不透過性であるとき、２つの透過液の流れは、また、異なる圧力で維持される。この場合、透過液の背圧の使用は、より高い標準比透過流束のエレメントが容器の上流末端付近に位置しているかまたは下流末端に位置しているかには関係なく、比較的均一な透過流束の分布を提供できる。好ましい態様では、高い標準比透過流束からの合わせた透過液の流れが、第二の通過濾過容器の供給液の流れになるとき、透過液の背圧が生ずる。最も好ましくは、より高い標準比透過流束のエレメントが第一の容器の入口末端付近に配置されることだろう。それは、この配置が、第一および第二の通過エレメントの両者において透過液の流れを生じさせるさらに大きな全推進圧力をもたらすからである。
【００６１】
本発明の特別な利点は、最低の投資で回収率を改善する現存するシステムのアップグレードにその有用性がある。市販のらせんに巻かれたエレメントのコストは、海水濾過システムのコストに比べて小さい。本発明は、容器から１つ以上の現存するエレメントを取り出しそして新しいエレメント（それらの少なくとも１つは、１．５Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０６１ｇｆｄ／ｐｓｉ）より大きい標準比透過流束を有する）を装填することにより耐圧容器の能率を増大させることができる。さらに均一な透過流束分布をもたらすためにエレメントを選択的に置換することは、耐圧容器中の任意の１つのエレメントの最大の透過流束を超過することなく、より高い平均透過流束およびより大きな回収率で容器を操作することを可能にする。これは、エレメントが一般に海水設備の投資のわずか５％に相当するに過ぎないことを認識するとき、特に有利な選択肢として立証される。別のやり方として、容器は、低下した最大の平均エレメント透過流束で操作しながら、同じ回収率を得るようにアップグレードすることができる。
【００６２】
［実施例］
本発明を制限するものではない態様の以下の実施例は、本発明をさらに説明する。
【００６３】
［比較例１］
４つのエレメントが、ＦＩＬＭＴＥＣ  ＳＷ３０ＨＲ−３８０エレメントで使用されるものの明細を有する活性膜２．６ｍ２により製造された。エレメントは、平均標準比透過流束０．９８Ｌ／ｍ２／時／バール（０．０４ｇｆｄ／ｐｓｉ）および平均標準溶質透過率０．０６６Ｌ／ｍ２／時（０．０３９ｇｆｄ）を有した。エレメントは、耐圧容器内で直列に接続された。容器は、２１℃で３．２％のＮａＣｌの供給液および５５バール（７９８ｐｓｉ）の適用圧でテストされた。耐圧容器からの合わせた回収率は１９．６％であった。合わせた透過液の濃度は２４５ｐｐｍであった。
【００６４】
本発明者は、約２７Ｌ／ｍ２／時であると初めのエレメントの標準比透過流束を計算した。初めの３つのエレメントの平均透過流束は２２．６Ｌ／ｍ２／時（１３．３ｇｆｄ）であり、直列の第四のエレメントの平均透過流束は１５．６Ｌ／ｍ２／時（９．２ｇｆｄ）であった。第四のエレメントは、２０％より低い回収率で操作され、透過流束は、初めのエレメントの透過流束の約６０％であった。
【実施例１】
【００６５】
１つの膜エレメントは、ＦＩＬＭＴＥＣ  ＳＷ３０ＨＲ膜を使用して構築された。２．６ｍ２の活性膜面積を有する４つのエレメントは、ＦＩＬＭＴＥＣ  ＳＷ３０ＳＸＬＥ膜を使用して構築された。ＳＷ３０ＳＸＬＥ膜エレメントの３つは、ｐＨ１０．５で３０分間２０００ｐｐｍのＮａＣｌの水溶液に膜を浸漬することにより処理された。表３は、これらのエレメントの測定された標準比透過流束および標準溶質透過率を示す。
【００６６】
【表３】
2007523744.tif 000008
【００６７】
エレメントＡ、ＢおよびＣは、容器中に装填されて、エレメントＡは先頭の位置に置かれそしてエレメントＣは後端の位置に置かれた。透過液の流れは、エレメントＢとＣとの間でブロックされてエレメントＣからの透過液の溶液が別に集められるのを可能にした。容器を、２１℃で３．２％のＮａＣｌの供給液、５５バール（７９８ｐｓｉ）の適用圧でテストした。合わせた回収率は２５．８％であった。エレメントＡおよびＢの透過流束は、平均２９Ｌ／ｍ２／時（１７ｇｆｄ）であった。後端エレメントＣの透過流束は、３６．２Ｌ／ｍ２／時（２１．３ｇｆｄ）であった。合わせた透過液中のＮａＣｌの濃度は４２８ｐｐｍであった。
【００６８】
表３のエレメントＣは、標準溶質透過率を測定するのに使用される条件下で３５７ｐｐｍの透過液の濃度を有した。そのエレメントを含む３つのエレメントの容器は、比較的均一な透過流束分布を生じそして飲用に適した水を生成した。表３のエレメントＥは、エレメントＣに関するそれと類似の標準比透過流束を有したが、その標準溶質透過率は、２５℃、供給液中３２０００ｐｐｍのＮａＣｌ、８％の回収率および２７Ｌ／ｍ２／時の透過流束でのテストで約２３７ｐｐｍに相当する。このエレメントは、飲用に適した水をより低い圧力またはより高い回収率で生成することを可能にすると思われる。
【実施例２】
【００６９】
２つのＦＩＬＭＴＥＣ  ＳＷ３０ＸＬＥ−３８０エレメントを、ｐＨ１０．５でそれぞれ１５００ｐｐｍおよび２０００ｐｐｍのＮａＯＣｌの水溶液中に３０分間浸漬することによって処理した。エレメントは、表４のＨおよびＩの列で示される標準比透過流束および標準溶質透過率を有した。さらに、ＮａＯＣｌを含まないＦＩＬＭＴＥＣ  ＳＷ３０ＨＲ−３８０およびＳＷ３０ＸＬＥ−３８０エレメントの標準比透過流束および標準溶質透過率の値は、それぞれ列ＦおよびＧに示される。先頭エレメントの標準溶質透過率／標準比透過流束の比（０．０７１）により除された後端エレメントの標準溶質透過率／標準比透過流束の比（０．０６４）は、１より小さい。表４のエレメントに関して、標準圧力勾配は、約０．２バール／ｍであり、そして供給液スペーサー断面積は約２３０ｃｍ２であった。
【００７０】
【表４】
2007523744.tif 000009
【００７１】
エレメントＦ、Ｇ、ＨおよびＩの流れは、ＦｉｌｍＴｅｃのシミュレーションプログラム（ＲＯＳＡ、バージョン５．４）を使用してシミュレートされた。シミュレーションは、ＳＷ３０−３８０エレメントのファウリングファクターを０．６４、１．０５および２．０に変えることにより行われた。タイプＦの２つのエレメント、タイプＧの１つのエレメントおよびタイプＩの３つのエレメントからなる容器は、それぞれのエレメントを別々にシミュレートし、そして各エレメントからの濃縮液を次のエレメントへの供給液にすることによってシミュレートした。補正は、ＳＷ３０−３８０に比べて、これらのエレメントの異なる溶質透過率に関する透過液濃度について各エレメントについて行われた。このシミュレーションでは、３．５％の海水供給液は、１９４７９ｐｐｍのＣｌ、１０４６０ｐｐｍのＮａ、１４５０ｐｐｍのＭｇ、２７６０ｐｐｍのＳＯ４、４５０ｐｐｍのＣａおよび４００ｐｐｍのＫから構成された。
【００７２】
２５℃で６６．６バール（９６７ｐｓｉ）の適用圧および１９６ｍ３／日（３６ｇｐｍ）の原料水供給液の流れを用いて、６０％の回収率がシミュレーションで達成された。計算は、先頭エレメントが３３．６Ｌ／ｍ２／時（１９．８ｇｆｄ）で最大の透過流束を有したことを示した。１エレメントあたりの最大の回収率は、１５％であった。透過液の濃度は、２９５ｐｐｍとして計算され、それは飲用に適した水として当業者により許容されているのよりは低かった。
【００７３】
［比較例２］
シミュレーションが行われ、６０％の回収率が直列の７つのＦＩＬＭＴＥＣ  ＳＷ３０ＨＲ−３８０エレメントで得られた。初めのエレメントは、３９．６Ｌ／ｍ２／時（２３．３ｇｆｄ）の平均透過流束、１７％の回収率を有し、そして加えられた圧力は７４．２バール（１０７６ｐｓｉ）であった。
【００７４】
シミュレーションを行うには、１インチずつの増加単位で耐圧容器の供給液から後端へ軸方向の流れの計算を行うことによって、ＲＯＳＡソフトウエアの使用なしに、長さ１ｍ、直径２０ｃｍのエレメントを含む容器をシミュレートした。それぞれの場合、加えられる圧力、供給液の濃度および初めのエレメント中への流れは定められ、そしてそれぞれの増加単位内の性能（圧力低下、透過流束および塩の通過）を計算した。結果は、容器を下る連続する長さ１インチのセクションに拡大された。
【００７５】
計算は、それぞれのエレメント内の膜について比透過流束および溶質透過率を仮定し、それぞれの増加単位に関する透過流束および塩の通過は、標準の式（Ｏｓａｄａ  ａｎｄ  Ｎａｋａｇａｗａ，Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｐｔｅｒ  ９，“Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ”，Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９２）に従って計算された。表面における分極化は、Ｇ．Ｓｃｈｏｃｋ  ａｎｄ  Ａ．Ｍｉｑｕｅｌ，“Ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ａｎｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｌｏｓｓ  ｉｎ  ｓｐｉｒａｌ  ｗｏｕｎｄ  ｍｏｄｕｌｅｓ”，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，６５，（１９８７），３３９−３５２においてＦｉｌｍＴｅｃエレメントについて与えられた式に従って供給液速度および透過流束から計算された。分極化に関する値は、上記の標準比透過流束および標準溶質透過率を等しくするのに選ばれた。
【実施例３】
【００７６】
［比較例３および４］
シミュレーションは、比較例２の方法を使用して行われた。
以下の表５−７は、それぞれ１７４ｍ３／日（４６０００ｇｐｄ）の供給液の流れおよび３．８％の海水の５０％回収率を有する３つのシミュレーションの結果を示す。実施例３並びに比較例３および４は、すべて、６つの３５．３ｍ２（３８０ｆｔ２）のエレメントを含む耐圧容器をシミュレートし、そして容器に関する平均透過流束は１７Ｌ／ｍ２／時（１０ｇｆｄ）であった。エレメントについて仮定された膜の比透過流束（Ａ値）は、すべて、容易に利用できる範囲に相当する。膜の溶質透過率の値（Ｂ値）は、容器内のすべてのエレメントについて同じ（０．０６８Ｌ／ｍ２／時）であると仮定した。それは、この値が、調べられる操作範囲にわたって透過流束に対して最低の影響を有するものと考えられたからである。各エレメントからの透過液に関する塩の通過は、仮定されたＢ値にほぼ比例した。実施例３、比較例３および比較例４に関する計算された合計の透過液の濃度は、３６９ｐｐｍ、３１５ｐｐｍおよび３６９ｐｐｍであった。必要な適用圧は、それぞれ６８．８バール（９９８ｐｓｉ）、７２．５バール（１０５１ｐｓｉ）および６６．９バール（９７１ｐｓｉ）であった。実施例３は、容器中のエレメントが、最大の透過流束、平均透過流束および最大のエレメント回収率について低い値で実施できることを立証した。
【００７７】
【表５】
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【００７８】
【表６】
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【００７９】
【表７】
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【実施例４】
【００８０】
計算は、３．５％の海水の１６７ｍ３／日（４４０００ｇｐｄ）の供給液を使用して、実施例３におけるように行われた。７９．３バール（１１５０ｐｓｉ）の適用圧は、この容器について６０．８％のシミュレートされた回収率を生じた。この場合、容器内の７つのエレメントは、表で示されるように、Ａ値、Ｂ値および活性面積で異なる可能性があった。合わせた透過液の濃度は４４８ｐｐｍと見積もられた。シミュレーションは、この容器内の各エレメントが、最大の透過流束、平均の透過流束およびエレメントの回収率について低い値を有することを示す。活性膜の面積により全透過液の流れを除すると、１８．８Ｌ／ｍ２／時（１１．１ｇｆｄ）の容器に関する平均透過流束を得る。
【００８１】
【表８】
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【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】らせんに巻かれたエレメントの部分的に切断された透視図である。エレメントは、中心の透過液収集管の周りに濾過覆いと供給液スペーサーシートとを交互に包むことにより形成される。濾過覆いは、膜の２つのシートの間にサンドイッチされた透過液担体シートからなる。
【図２】透過液透過流束が、容器の前端から後端にむかって実質的にいかに低下するかを示すグラフである。図は、比較例３に詳述された操作条件に相当する６つのエレメントの容器に関する計算された透過流束を表す。
【図３】直列の少なくとも３つのエレメントを含む容器に関する代表的な構造を示す概略図である。
【図４】直列の少なくとも３つのエレメントを含む容器に関する他の代表的な構造を示す概略図である。この図では、透過液の流れに対するバリヤーは、１つのエレメントの透過液管内に存在し、そして透過液溶液は、容器の両末端から取り出される。
【符号の説明】
【００８３】
２  膜の覆い
４  供給液スペーサーシート
６  透過液収集管
８  膜シート
１０  透過液担体シート
１４  ２の縁
１６  ２の縁
１８  ２の縁
２０  ２の縁
２２  開口
２４  エレメントの末端
２６  エレメントの末端
２８  ８の前面
４０  耐圧容器
４２  開口
４４  開口
４６  入口末端
４８  出口末端
５０  先頭エレメント
５２  中間エレメント
５４  後端エレメント
５６  海水シール
５８  相互接合具
６２  透過液開口
６４  透過液開口
６６  バリヤー
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【国際調査報告】
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