(57)【要約】【課題】透過側膜面近傍に付着した汚れを効果的に排出することができる膜分離装置および膜分離方法を提供する。【解決手段】供給側流路材２と、シート状分離膜１と、透過側流路材３とがこの順で積層され、本体１０内部に形成される供給側流路と透過側流路とが前記シート状分離膜１により仕切られている膜分離装置であって、供給側流路が、原液の入口１４と出口１５とを有しており、透過側流路が、スイープ流の入口１６と出口１７とを有し、その入口１６又は出口１７の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給側流路材と、シート状分離膜と、透過側流路材とがこの順で積層され、本体内部に形成される供給側流路と透過側流路とが前記シート状分離膜により仕切られている膜分離装置であって、
前記透過側流路は、スイープ流の入口と出口とを有し、その入口又は出口の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられており、
前記供給側流路は、原液の入口と出口とを有する膜分離装置。
【請求項２】
前記スイープ流の入口と出口の両方が、異なる位置に各々複数設けられている請求項１に記載の膜分離装置。
【請求項３】
前記スイープ流の一方の入口と出口とを結ぶ中心線と、他方の入口と出口とを結ぶ中心線とが、３０〜１５０℃の角度をなす位置に、前記スイープ流の入口と出口とが設けられている請求項２に記載の膜分離装置。
【請求項４】
前記本体は、平面視が矩形である偏平な形状を有し、
前記スイープ流の一方の入口と出口とが、矩形を有する本体の何れかの対向する辺の近傍に各々設けられ、前記スイープ流の他方の入口と出口とが、残りの対向する辺の近傍に各々設けられている請求項１〜３いずれかに記載の膜分離装置。
【請求項５】
前記シート状分離膜は、多孔性支持膜上にポリアミド系分離活性層を形成した複合半透膜である請求項１〜４いずれかに記載の膜分離装置。
【請求項６】
前記シート状分離膜が前記透過側流路材を介して積層された分離膜ユニットが、複数積層されている請求項１〜５いずれかに記載の膜分離装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかに記載の膜分離装置を用いて、異なる位置に各々複数設けられた前記スイープ流の入口と出口とを交互に使用しながら膜分離を行なう膜分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート状分離膜により液体を分離するための膜分離装置および膜分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体等を分離する分離膜には、その孔径サイズや分離機能の違いにより、種々のタイプが存在するが、分離膜の一方の面に原液を供給し、他方の面から透過液を取り出す点では共通している。
【０００３】
例えば、逆浸透ろ過、限外ろ過などに用いられる流体分離エレメントとしては、供給側流体（原水）を分離膜表面へ導く供給側流路材、供給側流体を分離する分離膜、および分離膜を透過し供給側流体から分離された透過側流体（透過水）を中心管（集水管）へと導く透過側流路材からなるユニットを有孔の中心管の周りに巻き付けたスパイラル型膜エレメントが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、下記の特許文献２に記載のように、多数枚の平膜状の分離膜を間隔をあけて積層固定化する際に、原水側には波形スペーサを介在させ、透過側にはメッシュスペーサを介在させ、各透過室の積層固定化部に透過水取出用開口部を設けた膜エレメントが知られている。
【０００５】
このような膜分離装置において、分離膜の表面に付着する堆積物等を除去する目的で、供給側流路に入口と出口を設けて分離膜の表面付近で供給液を流動させながら、分離膜で透過液を分離するクロスフロー方式が、一般的に採用されている。また、気体を分離するための膜分離装置では、例えば特許文献３のように、膜の透過を促進するために、透過側流路にスイープガスを流すことができる構造を採用する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３４１号公報
【特許文献２】特開平６−２７７４６１号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７９８８５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、液体用の膜分離装置では、透過側の膜表面に汚れや微生物などが付着した場合に、スイープ流を透過側流路に流しても、透過側流路材が邪魔をしたり、デッドスペースが生じるなどにより、透過側膜面近傍に付着した汚れを排出する効果が得られにくかった。なお、透過側流路材の開口率は一般的に低く、また、シート状分離膜の多孔性支持膜（比較的目が粗い）が透過側流路の側に配置されるため、汚れが付着し易く、スイープ流の効果を維持するのが難しいと言える。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、透過側膜面近傍に付着した汚れを効果的に排出することができる膜分離装置および膜分離方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。      
即ち、本発明の膜分離装置は、供給側流路材と、シート状分離膜と、透過側流路材とがこの順で積層され、本体内部に形成される供給側流路と透過側流路とが前記シート状分離膜により仕切られている膜分離装置であって、前記透過側流路は、スイープ流の入口と出口とを有し、その入口又は出口の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられており、前記供給側流路は、原液の入口と出口とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の膜分離装置によると、透過側流路に設けたスイープ流の入口と出口の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられているため、スイープ流の入口及び／又は出口の複数を切り替えて使用することで、スイープ流の流動方向を変えることができる。このため、一方のスイープ流では、透過側流路材が邪魔をして除去できなかった汚れに対しても、他方のスイープ流によって除去し易くなり、また両者の流動方向におけるデッドスペースも少なくなる。その結果、透過側膜面近傍に付着した汚れを効果的に排出することができるようになる。
【００１１】
上記において、前記スイープ流の入口と出口の両方が、異なる位置に各々複数設けられていることが好ましい。この場合、スイープ流の流動方向をより大きく変えることができ、透過側膜面近傍に付着した汚れをより効果的に排出することができる。
【００１２】
また、前記スイープ流の一方の入口と出口とを結ぶ中心線と、他方の入口と出口とを結ぶ中心線とが、３０〜１５０℃の角度をなす位置に、前記スイープ流の入口と出口とが設けられていることが好ましい。このような角度をなす位置に、前記スイープ流の入口と出口とが設けることで、より確実に、透過側膜面近傍に付着した汚れを排出できるようになる。
【００１３】
また、前記本体は、平面視が矩形である偏平な形状を有し、前記スイープ流の一方の入口と出口とが、矩形を有する本体の何れかの対向する辺の近傍に各々設けられ、前記スイープ流の他方の入口と出口とが、残りの対向する辺の近傍に各々設けられていることが好ましい。このようにスイープ流の入口と出口と配置することで、各々の流動方向を垂直に変えることができ、透過側膜面近傍に付着した汚れをより効果的に排出できるようになる。
【００１４】
更に、前記シート状分離膜は、多孔性支持膜上にポリアミド系分離活性層を形成した複合半透膜であることが好ましい。このようなシート状分離膜を用いる膜分離では、比較的目が粗い多孔性支持膜が透過側流路の側に配置されるため、スケールや微生物などの汚れが付着し易いため、本発明が特に有効となる。
また、前記シート状分離膜が前記透過側流路材を介して積層された分離膜ユニットが、複数積層されていることが好ましい。このように、シート状分離膜が透過側流路材を介して積層された分離膜ユニットを用いることで、スイープ流の入口又は出口の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられた透過側流路を、分離膜ユニット内に形成するのが容易になる。また、このような分離膜ユニットを複数積層することで、それらの間に供給側流路を形成しつつ、膜分離装置における有効膜面積を増加させることができる。
【００１５】
一方、本発明の膜分離方法は、上記いずれかに記載の膜分離装置を用いて、異なる位置に各々複数設けられた前記スイープ流の入口と出口とを交互に使用しながら膜分離を行なうことを特徴とする。本発明の膜分離方法によると、透過側流路に設けたスイープ流の入口と出口が異なる位置に複数設けられている膜分離装置を用いて、スイープ流の流動方向を変えることができるため、一方のスイープ流では、透過側流路材が邪魔をして除去できなかった汚れに対しても、他方のスイープ流によって除去し易くなり、また両者の流動方向におけるデッドスペースも少なくなる。その結果、透過側膜面近傍に付着した汚れを効果的に排出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の膜分離装置の一例を示す組立斜視図。
【図２】図１に示す膜分離装置の要部の一例を示す縦断面図。
【図３】本発明の膜分離装置の他の例の要部を示す斜視図。
【図４】本発明の膜分離装置の他の例の要部を示す斜視図。
【図５】本発明の膜分離装置の他の例を示す分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の膜分離装置は、図１〜図２に示すように、供給側流路材２と、シート状分離膜１と、透過側流路材３とがこの順で積層され、本体１０内部に形成される供給側流路と透過側流路とが前記シート状分離膜１により仕切られている構造を有する。本実施形態では、図１〜図２に示すように、本体１０が上側ケース部材１１と下側ケース部材１２とで形成され、それらの内面がシール部材１３を介して、シート状分離膜１を挟持することで、供給側流路と透過側流路とがシート状分離膜１の両面に形成される例を示す。
【００１８】
本発明では、供給側流路が、原液の入口１４と出口１５とを有しており、図示した例では、上側ケース部材１１の上面の対角の位置に、入口１４と出口１５とが設けられている。これにより、原液の入口１４と出口１５とを結ぶ中心線Ａ１に沿って、原液が流動しながら、原液がシート状分離膜１により分離され、透過液を生成する。
【００１９】
また、本発明では、透過側流路が、スイープ流の入口１６と出口１７とを有し、その入口１６又は出口１７の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられている。本実施形態では、入口１６と出口１７との両方が、異なる位置に複数設けられている例を示す。即ち、各々複数のスイープ流の入口１６ａ、１６ｂと出口１７ａ、１７ｂとが異なる位置に設けられている。
【００２０】
下側ケース部材１２の一方の対角の位置に設けられた、スイープ流の入口１６ａと出口１７ａとを使用してスイープ流を流す場合には、入口１６ａと出口１７ａとを結ぶ中心線Ａ２に沿って、スイープ流および透過液が流動する。なお、本発明では、膜分離を行なわずに、本体１０内部の洗浄を行なう場合にも、洗浄のためのスイープ流を流すことができる。
【００２１】
一方、下側ケース部材１２の他方の対角の位置に設けられた、スイープ流の入口１６ｂと出口１７ｂとを使用してスイープ流を流す場合には、入口１６ｂと出口１７ｂとを結ぶ中心線Ａ３に沿って、スイープ流および透過液が流動する。本発明では、このようにスイープ流の入口１６及び／又は出口１７の複数を切り替えて使用することで、スイープ流の流動方向を変えることができ、一方のスイープ流では、透過側流路材３が邪魔をして除去できなかった汚れに対しても、他方のスイープ流によって除去し易くなり、また両者の流動方向におけるデッドスペースも少なくなる。その結果、透過側膜面近傍に付着した汚れを効果的に排出することができるようになる。
【００２２】
本発明においては、透過側膜面近傍に付着した汚れをより効果的に排出する観点から、スイープ流の一方の入口１６ａと出口１７ａとを結ぶ中心線Ａ２と、他方の入口１６ｂと出口１７ｂとを結ぶ中心線Ａ３とが、３０〜１５０℃の角度をなすことが好ましく、４５〜１３５℃の角度をなすことがより好ましく、６０〜１２０℃の角度をなすことが更に好ましい。
【００２３】
本体１０を形成するケース部材１１、１２の材質としては、不純物や粒子等の溶出などの問題が生じなければ、何れの材料も使用可能であり、例えば塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスルホン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂が挙げられる。下側ケース部材１２と上側ケース部材１１とは、接着、融着、溶着、ボルト締結などにより、固着することができる。本体１０に耐圧性が要求される場合には、ステンレス等の金属や、ＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ等の繊維強化樹脂を使用することが好ましい。
【００２４】
シート状分離膜１は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜、透析膜などが挙げられ、その用途や製法に応じた、孔径、厚み、大きさのものが使用できる。例えば、シート状分離膜１の厚みとしては、０．０５〜１．０ｍｍが挙げられる。
【００２５】
また、シート状分離膜１の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、フッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル−ポリアクリロニトリル共重合体、芳香族ポリアミド、酢酸セルロース、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリイミド、などが挙げられる。
【００２６】
なお、シート状分離膜１としては、単一素材あるいは複合素材からなるものが使用でき、例えば不織布等の支持体上に形成されているものでもよく、分離活性層が多孔性支持膜上に形成されている複合膜でもよい。本発明では、多孔性支持膜上にポリアミド系分離活性層を形成した複合半透膜を使用することが好ましい。
【００２７】
供給側流路材２としては、樹脂等からなるネットが好ましく用いられる。ネットの厚みは、例えば０．３〜１．８ｍｍが挙げられる。ネットを構成するネット糸径は例えば０．２〜１ｍｍが挙げられる。ネットの開口率は例えば６０〜９７％が挙げられる。
【００２８】
本発明において、「ネット糸」とは、ネットを構成する線状部材を指し、その断面は円形に限らず、三角形、四角形などの多角形、楕円形など何れでもよい。また、交差するネット糸同士は、一体に形成されているのが好ましいが、交差部分は固着されていても、固着されていなくてもよい。また、「ネット糸径」とは、ネットを構成する線状部材の断面における最大長さを指し、例えば、楕円形断面の場合、長径がネット糸径に相当する。
【００２９】
供給側流路材２の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイドポロフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ナイロンを主原料とするものが挙げられる。
【００３０】
ネットの開口形状としては、三角形、四角形（菱形、正方形、長方形、平行四辺形等）、六角形などが挙げられる。
【００３１】
透過側流路材３としては、供給側流路材２より目の細かいネットが用いられ、樹脂等からなるトリコット編みや平織などのネットが好ましく用いられる。ネットの厚みは、例えば０．２〜１ｍｍが挙げられる。ネットの開口率は例えば２０〜６０％が挙げられる。
【００３２】
透過側流路材３の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイドポロフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ナイロンを主原料とするものが挙げられる。
【００３３】
シール部材１３としては、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴム、熱可塑性エラストマーなどが用いられる。シール部材１３の断面形状は、長方形、円形、楕円形などが挙げられる。シール部材１３の厚みは、供給側流路材２と透過側流路材３と同等か、より厚いものが好ましい。
【００３４】
以上のように、本発明は、透過側流路が、スイープ流の入口１６と出口１７とを有し、その入口１６又は出口１７の少なくとも一方が異なる位置に複数設けられている点以外は、従来の膜分離装置と同様の構造、形状、材質などを有しており、従来公知の技術が何れも採用できる。
【００３５】
一方、本発明の膜分離方法は、以上のような本発明の膜分離装置を用いて、異なる位置に各々複数設けられたスイープ流の入口１６と出口１７とを交互に使用しながら膜分離を行なうことを特徴とする。
【００３６】
図１〜図２に示す膜分離装置を用いる場合、各々複数のスイープ流の入口１６ａ、１６ｂと出口１７ａ、１７ｂとが異なる位置に設けられているため、これらを交互に使用して、スイープ流を入口１６から供給する。
【００３７】
下側ケース部材１２の一方の対角の位置に設けられた、スイープ流の入口１６ａと出口１７ａとを使用してスイープ流を流す場合には、入口１６ａと出口１７ａとを結ぶ中心線Ａ２に沿って、スイープ流および透過液が流動する。下側ケース部材１２の他方の対角の位置に設けられた、スイープ流の入口１６ｂと出口１７ｂとを使用してスイープ流を流す場合には、入口１６ｂと出口１７ｂとを結ぶ中心線Ａ３に沿って、スイープ流および透過液が流動する。本発明では、このようにスイープ流の入口１６及び／又は出口１７の複数を切り替えて使用することで、スイープ流の流動方向を変えることができ、一方のスイープ流では、透過側流路材３が邪魔をして除去できなかった汚れに対しても、他方のスイープ流によって除去し易くなり、また両者の流動方向におけるデッドスペースも少なくなる。その結果、透過側膜面近傍に付着した汚れを効果的に排出することができるようになる。
【００３８】
スイープ流としては、透過液と同じ組成の液体を別途使用する方法と、透過液をそのまま循環使用する方法がある。また、膜分離を行なわない状態で、洗浄液をスイープ流として使用することができる。洗浄液としては、純水、上流水、水道水や、これらに洗浄剤を添加したものなどが使用できる。
【００３９】
本発明の膜分離方法は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜、透析膜など、種々のシート状分離膜１を用いることによって、分離膜の種類に応じた種々の用途に使用することができる。なかでも、本発明は、逆浸透膜のような半透膜を用いた分離に有用である。
【００４０】
（他の実施形態）
（１）前述の実施形態では、スイープ流の入口１６と出口１７との両方が、異なる位置に複数設けられている例の例を示したが、本発明では、スイープ流の入口１６と出口１７の少なくとも一方が、異なる位置に複数設けられていればよい。例えば、図１に示す例において、入口１６ａ、１６ｂの中央に１つの入口１６のみを設けたり、また、出口１７ａ、１７ｂの中央に１つの出口１７のみを設けるようにしてもよい。
【００４１】
また、スイープ流の流動方向は、２方向である場合に限らず、３方向以上にしてもよい。その場合、スイープ流の入口１６と出口１７の少なくとも一方が、３箇所以上に設けられる。
【００４２】
（２）前述の実施形態では、スイープ流の入口１６ａ、１６ｂと出口１７ａ、１７ｂとが、一方の一対の対角の位置と、他方の一対の対角の位置とに設けられている例を示したが、本発明では、図３に示すように、本体１０が平面視で矩形である偏平な形状を有する場合、スイープ流の一方の入口１６ａと出口１７ａとが、矩形を有する本体１０の何れかの対向する辺の近傍に各々設けられ、スイープ流の他方の入口１６ｂと出口１７ｂとが、残りの対向する辺の近傍に各々設けられていることが好ましい。なお、図３では、下側ケース部材１２以外の構成が省略されているが、図１と同様の部材を使用することができる。
【００４３】
このように入口１６ａ、１６ｂと出口１７ａ、１７ｂとを配置することで、入口１６ａと出口１７ａとを結ぶ中心線Ａ２と、入口１６ｂと出口１７ｂとを結ぶ中心線Ａ３とがなす角度を、より垂直に近づけることができ、より確実に、透過側膜面近傍に付着した汚れを排出できるようになる。
【００４４】
（３）前述の実施形態では、シール部材１３により、シート状分離膜１が挟持されることで、供給側流路と透過側流路とがシート状分離膜１の両面に形成される例を示したが、本発明では、シール部材１３を用いることなく、ケース部材１１、１２を超音波融着等することで、シート状分離膜１を直接挟持する構造にしてもよい。また、封止樹脂を用いてシート状分離膜１を封止することも可能である。封止樹脂としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。
【００４５】
（４）前述の実施形態では、１つのシート状分離膜１のみが使用される例を示したが、図４〜図５に示すように、本発明では、複数のシート状分離膜１を用いて膜分離装置を構成することも可能である。
【００４６】
その場合、例えば、図４に示すように、まず、２枚のシート状分離膜１と、透過側流路材３と、接着テープ５（又は接着剤等）とを用いて、上下の２辺の全体と左右の２辺の一部とが封止された分離膜ユニットＭＵを作製する。その際、シート状分離膜１の分離活性層側が外部に向くように配置する。この分離膜ユニットＭＵでは、スイープ流の入口１６ａ、１６ｂと出口１７ａ、１７ｂとを、各々複数ずつ対角の位置に設けることができる。図示した例では、２枚のシート状分離膜１を用いているが、１枚のシート状分離膜１を折り曲げて、分離膜ユニットＭＵを作製することも可能である。
【００４７】
図５に示すように、この分離膜ユニットＭＵを、複数の供給側流路材２を介在させつつ複数積層して、容器（図示省略）内に収容する。容器には、原液の入口と出口とが設けられており、矢印Ａ４の方向に原液が流動する。原液の出口からは、濃縮された原液が排出される。
【００４８】
スイープ流は、供給管１８ａ、１８ｂを介して、分離膜ユニットＭＵにおけるスイープ流の入口１６ａ、１６ｂから供給され、出口１７ａ、１７ｂから出た後、排出管１９ａ、１９ｂから排出される。シート状分離膜１によって、原液から分離された透過液は、スイープ流と共に、分離膜ユニットＭＵの出口１７ａ、１７ｂから出た後、排出管１９ａ、１９ｂから排出される。
【００４９】
本発明では、スイープ流を供給管１８ａに供給して、排出管１９ａから排出する状態と、スイープ流を供給管１８ｂに供給して、排出管１９ｂから排出する状態とを、切り替えることにより、スイープ流の流動方向を矢印Ａ５の方向から矢印Ａ６の方向へ切り替えることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１      シート状分離膜
２    供給側流路材
３    透過側流路材
１０    本体
１４    原液の入口
１５    原液の出口
１６    スイープ流の入口
１７    スイープ流の出口
Ａ２    スイープ流の一方の入口と出口とを結ぶ中心線
Ａ３    スイープ流の他方の入口と出口とを結ぶ中心線
【図１】
2015186770.tif 000003
【図２】
2015186770.tif 000004
【図３】
2015186770.tif 000005
【図４】
2015186770.tif 000006
【図５】
2015186770.tif 000007