(57)【要約】      （修正有）【課題】海水淡水化等の高い運転圧力で使用されるスパイラル型液体分離素子において、膜面積が小さくなることを防ぎ、高い造水効率で運転を行うことができるスパイラル型液体分離素子の提供。【解決手段】軸方向に複数の集水孔２１を備えた集水管２の周りに、分離膜１７、原液流路材１１及び透過液流路材１０、１０’、１０’’を巻回し、前記分離膜と前記原液流路材の間には原液と透過液の混合を防ぐための第１封止部１８が設けられ、前記分離膜と前記集水管及び前記透過液流路材の間には前記集水管の軸方向両側に集水管と積層された膜ユニット１６の間を封止する第２封止部１９が設けられているスパイラル型流体分離素子において、前記第２封止部は前記分離膜と前記集水管の軸方向に接着部の接着幅Ｗ１と、前記分離膜と前記透過液流路材との集水管軸方向に接着部の接着幅Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）を、Ｗ１／Ｗ２＝１．１〜３．５とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に複数の集水孔を備えた集水管の周りに、分離膜、原液流路材および透過液流路材をスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備え、前記分離膜と前記原液流路材の間には原液と透過液の混合を防ぐための第１封止部が設けられ、前記分離膜と前記集水管および前記透過液流路材の間には前記集水管の軸方向両側に集水管と積層された膜ユニットの間を封止する第２封止部が設けられているスパイラル型流体分離素子であって、前記第２封止部は前記分離膜と前記集水管の軸方向に接着部の接着幅Ｗ１と、前記分離膜と前記透過液流路剤との集水管軸方向に接着部の接着幅Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）が、Ｗ１／Ｗ２＝１．１〜３．５であることを特徴とするスパイラル型流体分離素子。
【請求項２】
集水管の集水管長Ｌと分離膜と集水管との接着部の接着幅Ｗ１の比率（Ｗ１／Ｌ）が、Ｗ１／Ｌ＝０．０２〜０．１であることを特徴とする請求項１記載のスパイラル型流体分離素子。
【請求項３】
分離膜と集水管との接着部の接着幅Ｗ１は、前記集水管の端部と前記集水管の端部から１つめの集水孔までの距離よりも短いことを特徴とする請求項１または２記載のスパイラル型流体分離素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜等の分離膜を用いたスパイラル型液体分離素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、海水淡水化や半導体分野における超純水用途、さらには、一般かん水用途、有機物分離および排水再利用などを始めとする膜の透過液を利用する様々な流体分離分野において、分離膜を用いた流体分離素子の使用が急速に増加してきている。
【０００３】
スパイラル型液体分離素子は、基本的には有孔の集水管とそれを取り巻く逆浸透膜（分離膜）、透過液流路材および原液流路材の各部材から構成されている（特許文献１参照。）。通常、このような構成の液体分離素子は、逆浸透膜の間に原液流路材を挟んで逆浸透膜ユニットとし、この逆浸透膜ユニットと透過液流路材とを交互に積層して、これらを接着剤により結合し、一辺が透過液流路となるように封筒状にしてから集水管回りに巻囲することにより製造されている。
【０００４】
このようなスパイラル型流体分離素子において、図１に示されるように、原液６は、流体分離素子の一方の端面から供給され、第１の分離膜３および第２の分離膜４で分離処理される。第１の分離膜３と第２の分離膜４を透過した透過液は、透過液流路材１０を伝って流れ（透過液の流れ（矢印１３））、集水管２で集められ透過液１４として取り出される。第１の分離膜３と第２の分離膜４を透過しなかった原液６は、原液流路材１１を伝って流れ（原液の流れ（矢印７））、流体分離素子の他方の端面から濃縮液１２として排出される。一方、膜の有効面積を大きくすることは、スパイラル型流体分離素子１本のろ過効率を高めることができるため、接着部の幅は極力小さくしたい。しかしながら、接着部を小さくしてしまうと、集水管２の接着性が不足してしまい海水淡水化など高圧環境下では剥離してシール漏れを起こすという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１―２０７１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、海水淡水化処理用途などの高圧運転下においても、膜面積を大きくすることができ、集水管とこれに塗布された接着剤との固着界面部分への亀裂による性能低下を解決することが可能なスパイラル型液体分離素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決せんとするものであって、本発明のスパイラル型液体分離素子は、軸方向に複数の集水孔を備えた集水管の周りに、分離膜、原液流路材および透過液流路材をスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備え、前記分離膜と前記原液流路材の間には原液と透過液の混合を防ぐための第１封止部が設けられ、前記分離膜と前記集水管および前記透過液流路材の間には前記集水管の軸方向両側に集水管と積層された膜ユニットの間を封止する第２封止部が設けられているスパイラル型流体分離素子であって、前記第２封止部は前記分離膜と前記集水管の軸方向に接着部の接着幅Ｗ１と、前記分離膜と前記透過液流路剤との集水管軸方向に接着部の接着幅Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）が、Ｗ１／Ｗ２＝１．１〜３．５であることを特徴とするスパイラル型流体分離素子である。
【０００８】
本発明のスパイラル型液体分離素子の好ましい態様によれば、前記の集水管の集水管長Ｌと前記の分離膜と集水管の軸方向に接着部の接着幅Ｗ１の比率（Ｗ１／Ｌ）は、Ｗ１／Ｌ＝０．０２〜０．１である。
【０００９】
本発明のスパイラル型液体分離素子の好ましい態様によれば、前記の分離膜と前記の集水管との接着部の接着幅Ｗ１は、前記の集水管の端部と前記の集水管の端部から１つめの集水孔までの距離よりも短いことである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、海水淡水化処理用途などの高圧運転下においても、膜面積を大きくすることができ、集水管とこれに塗布された接着剤との固着界面部分への亀裂による性能低下を解決することが可能なスパイラル型液体分離素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明のスパイラル型流体分離素子の一例を示す部分分解斜視図である。
【図２】図２は、膜ユニットおよび透過液流路材の積層状態を示す側面図である。
【図３】図３は、膜ユニットおよび透過液流路材の交互積層構造物を集液管の周りに巻回する準備段階の状態を示す側面図である。
【図４】図４は、本発明のスパイラル型流体分離素子に係る膜ユニットの上に透過液流路材を載せて接着剤を塗布した状態を示す平面図である。
【図５】図５は、従来のスパイラル型流体分離素子に係る膜ユニットの上に透過液流路材を載せて接着剤を塗布した状態を示す平面図である。
【図６】図６は、外周部にテープを貼り付けたスパイラル型流体分子素子の概略側面図である。
【図７】図７は、接着剤の塗布方法変更による影響を端部の締まりで確認する方法を説明するための図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のスパイラル型液体分離素子は、軸方向に複数の集水孔を備えた集水管の周りに、分離膜、原液流路材および透過液流路材をスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備え、前記分離膜と前記原液流路材の間には原液と透過液の混合を防ぐための第１封止部が設けられ、前記分離膜と前記集水管および前記透過液流路材の間には前記集水管の軸方向両側に集水管と積層された膜ユニットの間を封止する第２封止部が設けられているスパイラル型流体分離素子であって、前記第２封止部は前記分離膜と前記集水管の軸方向に接着部の接着幅Ｗ１と、前記分離膜と前記透過液流路剤との集水管軸方向に接着部の接着幅Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）が、Ｗ１／Ｗ２＝１．１〜３．５のスパイラル型流体分離素子である。
【００１３】
次に、本発明のスパイラル型流体分離素子の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの図面に示す実施態様に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明が適用されるスパイラル型流体分離素子の一例を示す部分破断した斜視図である。スパイラル型流体分離素子の代表例は、図１に示されるように、第１の分離膜３、第２の分離膜４、原液流路材１１および透過液流路材１０が積層状態で、有孔の集液管２の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備え、その分離膜巻回体の両端にテレスコープ防止板９が設置されている。第１の分離膜３と第２の分離膜４は端部が封止されていて、原液６と透過液１４の混合を防止している。前記の第１の分離膜３と第２の分離膜４の端部は、後述する図４の第１封止部１８と第２封止部１９の接着材が塗布された箇所がそれに該当する。
【００１５】
第１の分離膜３と第２の分離膜４は平膜状の分離膜であって、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ガス分離膜および脱ガス膜などを使用することができる。分離膜は、一般に透水性能を良くするために薄く製造される。この薄く製造される分離膜の薄膜単体では機械的強度が劣るため、不織布や織布などの繊維基材を支持体として用い、その支持体上に分離膜の素材となる高分子溶液を流延し分離膜を形成させている。
【００１６】
分離膜の支持体を構成する繊維基材の素材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロンおよびアクリルからなる繊維などが例示されるが、それらの中でも特に、耐熱性、耐水性および耐薬品性があり、より低融点なポリエステル繊維やポリプロピレン繊維が好ましく用いられる。
【００１７】
分離膜の支持体に流延される高分子溶液は、分離機能を有するものであればよく、例えば、ポリスルホンやポリエーテルスルホンのようなポリアリールエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデンおよび酢酸セルロースなどが好ましく用いられる。それらの中でも特に、化学的、機械的および熱的に安定であるという点で、ポリスルホンとポリアリールエーテルスルホンが好ましく用いられる。
【００１８】
また、本発明では、この分離膜上に薄膜を形成し複合膜とすることも好ましい態様である。複合膜としては、多官能酸ハロゲン化物と多官能アミンとの重縮合などによって得られる架橋ポリアミド膜など好ましく用いられるが、分離機能を有することが求められる。
【００１９】
原液流路材１１には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シートおよび波形シート等を使用することができる。また、透過液流路材１０には、編み物、織物、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シートおよび波形シート等を使用することができる。特に、編み物としては、流路形成の容易さからトリコットや丸編みが好ましく用いられる。透過液流路材１０は、特に表裏の区別無く使用することができる。そのため、スパイラル状に巻回されたときに透過液が流れる溝がある面が集液管側を向いていても良いし、外周側を向いていても良い。
【００２０】
原液流路材１１および透過液流路材１０の各素材については、それらの流路材としての形状を保持し、かつ浸透液中への成分の溶出が少ないものであればよく、例えば、ナイロン等のポリアミド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレートやポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフルオロエチレン、カーボン等の樹脂あるいはこれらの樹脂をエポキシ樹脂に含浸させたもの等が挙げられるが、特に高圧下に耐えうる強度や、溶出性の低さおよび加工のし易さ等を考慮すると、ポリエステル樹脂を用いることが好ましい。具体的に、例えば、上記のポリエステル樹脂からなる繊維編物等を加熱等により融着させ繊維同士を固着したものや、エポキシ樹脂に含浸させたものが挙げられる。また、ここで使用される透過液流路材１１は、かん水用であれば、２時間４ＭＰａの水圧をかけたあとの厚み減少が元の厚みから４％以内であることが好ましく、さらに好ましくは３％以内である。海水淡水化用途では、２時間７ＭＰａの水圧をかけたあとの厚み減少が元の厚みから４％以内であることが好ましく、さらに好ましくは２％以内である。これらの部材を用いて巻回されたスパイラル流体分離素子を作製したとき、原液流路材の厚みよりも、膜ユニット１６を積層し出来た原液流路が狭くなることもある。
【００２１】
テレスコープ防止板９は、分離膜巻回体が通過する流体の圧力により筒状に変形すること（テレスコープ現象）を防止するために設置された、孔を有する板状物であり、外周側にはシール材を装填するための周回溝を有していることが好ましい。テレスコープ防止板９の材質は、金属や、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂および耐熱性樹脂などの樹脂材により構成され、樹脂コスト、成型性、強度や溶出物が少ないこと、および耐熱性があること等から、硬質塩化ビニルやＡＢＳ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ＰＰＯ樹脂、また“ノリル”（登録商標）樹脂など、エレメントの使用目的にあった材質が選定される。また、このテレスコープ防止板９は、外周環状部と内周環状部と放射状スポーク部とを有するスポーク型構造であることが好ましい。
【００２２】
集液管２は、管の側面に複数の孔を有するものであり、集液管２の材質としては、樹脂や金属など何れでもよいが、“ノリル”（登録商標）樹脂、ＰＰＥ樹脂、ＰＰＯ樹脂やＡＢＳ樹脂等のプラスチック、ポリサムフォン、塩化ビニル、ポリプロピレン、およびガラスファイバーなどの繊維強化樹脂（ＦＲＰ）が通常使用される。
【００２３】
本発明のスパイラル型流体分離素子は、分離膜巻回体の外周部が外装材５により拘束されて拡径しない構造になっていることも好ましい態様である。外装材５は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンおよびポリ塩化ビニルなどからなる布帛シート（編物、織物）や、硬化性樹脂を塗ったガラス繊維あるいは樹脂繊維、炭素繊維などからなるもので、分離膜巻回体の外周表面にかかる布帛シートや繊維を巻回してエレメントが拡径しないように拘束する。拡径抑止の手段としては、図１で示す外装材５の下に、図６に示されるように流体分離素子４０の端部テープ４１およびスパイラル貼付けテープ４２を用いて、流体分離素子の両端部や全体をテープで巻き付けたりする方法も挙げられる。
【００２４】
ここで図１を用いて、あらためて本発明のスパイラル型流体分離素子の一例について説明する。原液６は、流体分離素子の一方の端面から供給され、第１の分離膜３および第２の分離膜４で分離処理される。第１の分離膜３と第２の分離膜４を透過した透過液は、透過液流路材１０を伝って流れ（透過液の流れ（矢印１３））、集水管２で集められ透過液１４として取り出される。第１の分離膜３と第２の分離膜４を透過しなかった原液６は、原液流路材１１を伝って流れ（原液の流れ（矢印７））、流体分離素子の他方の端面から濃縮液１２として排出される。
【００２５】
ここで、第１の分離膜３、第２の分離膜４、原液流路材１１および透過液流路材１０が積層形成された各膜ユニットと集液管２の間を封止するための手段、および第１の分離膜３と第２の分離膜４の端部３辺を封止するための手段としては、接着法が好適に用いられる。また、集液管２の接着部に、接着剤と集液管２の接着性の付与および向上を目的として、プライマー処理を施すことも好ましい態様である。プライマーを使用する場合には、集液管２とプライマー界面のタック力を向上させ、高圧下の使用条件においても界面亀裂を生じさせないようにすることが好ましい態様である。
【００２６】
ここで、図２〜５を用いて、膜ユニット１６および集液管２と膜ユニット１６の封止部について詳細に説明する。
【００２７】
図２は、膜ユニットおよび透過液流路材の積層状態を示す側面図であり、図３は、膜ユニットおよび透過液流路材の交互積層構造物を集液管の周りに巻回する準備段階の状態を示す側面図であり、図４は、本発明のスパイラル型流体分離素子に係る膜ユニットの上に透過液流路材を載せて接着剤を塗布した状態を示す平面図であり、そして、図５は、従来のスパイラル型流体分離素子に係る膜ユニットの上に透過液流路材を載せて接着剤を塗布した状態を示す平面図である。
【００２８】
まず、１枚目の透過液流路材１０上の所定位置に、膜ユニット１６を重ね、続いてこの膜ユニット１６上の所定位置に２枚目の透過液流路材１０’を重ねる。次いで、２枚目の透過液流路材１０’の上から、接着剤塗布ガン２７または接着剤入りポリ袋（１カ所小さな開口部あり）を用いて、接着剤を、積層された膜ユニット１６の分離膜１７の二つ折り辺２０に開口するコの字状に塗布する（図４(a)参照。）。
【００２９】
上記した接着剤の塗布に続いて、次の逆浸透膜ユニット１６’を重ねると、下段の膜ユニット１６内の分離膜の上面と、その上の透過液流路材１０’と、その上の逆浸透膜の下面とが、コの字状の三辺で接着される。以下同様にして、透過液流路材１０、１０’１０”を重ねて接着剤塗布し逆浸透膜ユニット１６、１６’、１６”を重ねて接着させることを所定回数繰り返し、図２に示されるような膜積層構造物２９を形成する。
【００３０】
集液管２と膜ユニット１６の封止について、積層構成された所定枚数の膜ユニット１６、１６’、 １６”を、集液管２の周りにスパイラル状に巻き付けてスパイラル型流体分離素子が形成される。このとき、接着剤は、図４と５に示されるように積層された膜ユニットに対し、分離膜３の二つ折り辺２０に開口するコの字状に塗布され、第２封止部（接着剤塗布部分）１９を形成する（図４（ａ）および図５（ａ））。また、第１封止部（接着剤塗布部分）１８と接する集液管２の部分において、接着剤と集液管２の接着性の付与および向上を目的として、第１封止部１８は集水管２との接着幅Ｗ１と分離膜中央の接着幅Ｗ２の比率（Ｗ１／Ｗ２）が、Ｗ１／Ｗ２＝１．１〜３．５であることが好ましく、より好ましくは、Ｗ１／Ｗ２＝１．２〜３．０である。
【００３１】
また、集液管２の集液管孔２１を潰さないため、集液管孔２１の位置より接着幅Ｗ１が小さいことが好ましく、集水管の集水管長Ｌと前記の分離膜と集水管との接着部の接着幅Ｗ１の比率（Ｗ１／Ｌ）は、Ｗ１／Ｌ＝０．０２〜０．１であることが好ましい。
【００３２】
このようにして、集水管２の周りの接着力を持たせることにより、高圧下でのシール性を確保することができる。集水管２の接着剤幅を広くするためには、例えば、（１）接着幅Ｗ１箇所のみ接着剤塗布ガン２７の速度を減少させること、（２）第１封止部（接着剤塗布部分）１８（図５(ｂ)参照。）を作製した後、接着幅Ｗ１箇所にもう一度塗布すること、または、（３）接着剤塗布量を接着幅Ｗ１箇所のみ多く吐出させること、により可能である。また、これらの制御には、精度面から、ロボットアームやサーボモーターによる制御が好ましく用いられる。
【００３３】
次に、第１封止部（接着剤塗布部分）１８による作用について説明する。図４と図５は、本発明と従来のスパイラル型流体分離素子に係る膜ユニットの上に、透過液流路材を載せて、接着剤を塗布した状態を示す平面図である。
【００３４】
接着剤が多量に塗布されていない第１封止部（接着剤塗布部分）１８（図５（ｂ）参照。）について、集液管２の長手方向に対し、例えば、５ＭＰａ以上の高水圧が負荷されると、集液管２と第１封止部（接着剤塗布部分）１８の界面に強い応力集中が起こり、やがては繰り返し負荷によってこの部分に亀裂が生じ、シール漏れへと進展する恐れがある。
【００３５】
一方、接着剤が部分的に多量に塗布されている第１封止部（接着剤塗布部分）１８（図４（ｂ）参照。）について、接着剤を用いて膜ユニット１６”の傾斜部に多量に塗布されることにより、集液管２と第１封止部（接着剤塗布部分）１８の接着表面積が向上される。この接着表面積を増やすという効果が付与されることにより、集液管２と第１封止部（接着剤塗布部分）１８、すなわち集液管２と膜ユニット１６、１６’、 １６”の接着性が増大する。
【００３６】
使用する接着剤としては、エポキシ系接着剤やウレタン系接着剤などが挙げられるが、溶出性の観点から２液性ウレタン系接着剤を用いることが好ましい。混合後の接着剤の粘度は、４０００ｍＰａ・ｓ〜３００００ｍＰａ・ｓの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは５０００ｍＰａ・ｓ〜１２０００ｍＰａ・ｓの範囲である。
【００３７】
また、接着剤の塗布量は、膜ユニットを集液管に巻囲した後に、塗布幅５ｍｍ〜８０ｍｍが確保できるような量とすることが好ましく、例えば、接着剤の塗布量は１面当たり８ｇ〜５０ｇの範囲が好ましい。塗布量が多すぎると、塗布幅が広くなりすぎて透過有効膜面積が狭くなり、少なすぎるとシール漏れの原因となることがある。
【００３８】
さらに、接着性を改善するには、プライマー処理を施すことができる。使用するプライマーとしては、アクリル樹脂系プライマー、ウレタン樹脂系プライマー、エポキシ樹脂系プライマー、シリコーン樹脂系プライマーおよび塩化ビニル樹脂系プライマーなどが挙げられる。プライマーは、接着剤と接着性の観点から選択されるが、ウレタン接着剤に対しては、ウレタン樹脂系プライマーが好ましく用いられる。
【００３９】
本発明のスパイラル型流体分離素子は、特に、高温・高圧等の条件下で用いられる液体膜分離や、析出物が生じ易い原液の膜分離において好適に使用することができる。
【実施例】
【００４０】
次に、具体例を挙げて本発明のスパイラル型流体分離素子について説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
【００４１】
＜実施例１＞
次いで、次の発停テストにより、漏れ発生の有無を確認した。
【００４２】
「発停テスト条件」
海水を原水とし、操作圧力５．５ＭＰa、ブライン流量８０Ｌ／ｍｉｎでエレメント（スパイラル型流体分離素子）に供給し、発停回数を５００回とした。運転初期と発停テスト後のエレメント性能（Ｒｅｊ（％））を評価することにより、漏れ発生の有無を確認したところ、漏れ発生は無く、エレメント性能の低下は見られなかった。
【００４３】
＜実施例２＞
＜実施例３＞
実施例１と同様の構成にて、作製したスパイラル型流体分離素子を接着剤の塗布方法の変更により、巻付け（巻締め）に影響が出ていないか確認するために、原水流路部に図７示されるようにノギスを差し込み、１ｋｇ、２ｋｇおよび３ｋｇと力を加えていき、各ポイントにおいて開き量の確認を行った。その結果、変更前がそれぞれ、０．５ｍｍ、１ｍｍおよび３ｍｍで、変更後が０．５ｍｍ、０．９ｍｍおよび３．２ｍｍと、接着剤の塗布方法変更前と変更後で差が無いことを確認することができた。
【００４４】
＜比較例１＞
＜比較例２＞
【符号の説明】
【００４５】
２：  集液管
３：  第１の分離膜
４：  第２の分離膜
５：  外装材
６：  原液
７：  原液の流れ
９：  テレスコープ防止板
１０、１０’、１０”：  透過液流路材
１１：  原液流路材
１２：  濃縮液
１３：  透過液の流れ
１４：  透過液
１６、１６’、１６”：  膜ユニット
１７：  分離膜
１８：  第１封止部（接着剤塗布部分）
１９：  第２封止部（接着剤塗布部分）
２０：  二つ折り辺
２１：  集水管孔
２７：  接着剤塗布ガン
２９：  膜積層構造物
４０：  流体分離素子
４１：  端部テープ
４２：  スパイラル貼付けテープ
【図１】
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【図２】
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【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７】
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