(57)【要約】  複数の膜リーフを使用する膜エレメントは、エレメントの端部で直径が増大することにより、総有効膜面積が制限される可能性がある。膜リーフは、１枚以上の膜シートの間に位置決めされた透過液キャリアを含むことができる。接着剤を使用して、膜リーフの１以上の縁部をシールすることができる。膜シート、透過液キャリア及び接着剤が、膜リーフの縁部の厚さ及びエレメントの端部の直径に寄与する。透過液キャリアの縁部の厚さを減少させると、エレメントの端部の直径を減少させることができる。膜シートの１以上の縁部から離間した別の透過液キャリアシートを使用して、透過液キャリアシートがエレメントの端部の直径の増大に寄与しないようにすることもできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）中央部分と、
ｂ）中央部分の一方又は両方の側縁部に沿った１以上の境界と
を備えるスパイラル巻回膜の透過液キャリアであって、
１以上の境界が中央部分より薄い、
透過液キャリア。
【請求項２】
１以上の境界が、中央部分より２ミル以上薄い、請求項１記載の透過液キャリア。
【請求項３】
１以上の境界が、中央部分より２ミル〜５ミル薄い、請求項２記載の透過液キャリア。
【請求項４】
境界が、最初は中央部分と同じ厚さであるが、圧縮されて中央部分より薄くなっている、請求項１記載の透過液キャリア。
【請求項５】
境界が、中央部分と比較して、ａ）より細いヤーンを用いる、ｂ）より変形しやすいヤーンを用いる、及びｃ）インチ当たりの畝を少なくする、又は畝をなくす、の１以上を採用して編まれる、請求項１記載の透過液キャリア。
【請求項６】
中央部分の幅が、エレメントのトリミング後の長さより、境界のみに十分な接着剤の幅をもたらすような長さだけ短い、請求項１記載の透過液キャリア。
【請求項７】
スパイラル巻回膜モジュールの膜リーフを作製する方法であって、
ａ）請求項１記載の透過液キャリアを２枚の膜シートの間に配置する段階と、
ｂ）境界に接着剤を塗布する段階と、
ｃ）膜シートを圧着させる段階と
を含む、方法。
【請求項８】
膜シートを圧着させる段階が、膜シート及び透過液キャリアを中央管の周りに巻き付けることを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
接着剤が、透過液キャリアの１以上の境界と中央部分の間の１以上の移行部の外側でのみ、境界に塗布される、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
ａ）膜シートと、
ｂ）中央部分及び中央部分の一方又は両方の側縁部に沿った１以上の境界を有する透過液キャリアと
を備えるスパイラル巻回膜の膜リーフであって、
１以上の境界が中央部分より薄い、或いは１以上の境界が中央部分と同じ厚さであり、膜シートの１以上の側縁部から離間している、
膜リーフ。
【請求項１１】
ａ）中央管と、
ｂ）透過液キャリア及び１枚以上の膜シートを含む１枚以上の膜リーフと
を備えるスパイラル巻回膜エレメントであって、
１枚以上の膜シートの１つの縁部がシールされ、透過液キャリアが、透過液キャリアの側縁部が１枚以上の膜シートの関連付けられた側縁部から離間した状態で１枚以上の膜シート内に位置決めされ、
ｃ）１枚以上の膜リーフが、中央管と流体連絡した開放縁部を有し、
ｄ）１枚以上の膜リーフが、フィードスペーサシートと最低でも１対１の関係で中央管の周りに巻き付けられる、
スパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１２】
透過液キャリアの側縁部が、１枚以上の膜シートの関連付けられた側縁部から約１ｃｍ〜１０ｃｍ離間している、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１３】
透過液キャリアの側縁部が、１枚以上の膜シートの関連付けられた側縁部から約２．５ｃｍ〜８ｃｍ離間している、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１４】
透過液キャリアの側縁部が、１枚以上の膜シートの関連付けられた側縁部から約５．０ｃｍ〜７．５ｃｍ離間している、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１５】
透過液キャリアが、１枚以上の膜シートにシールされている、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１６】
シールが、透過液キャリアの側縁部に染み込む接着剤である、請求項１５記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１７】
接着剤が、透過液キャリアの側縁部に０．２５４ｃｍ以上染み込む、請求項１６記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１８】
接着剤が、透過液キャリアの側縁部に約０．６３５ｃｍ〜２．５４ｃｍ染み込む、請求項１７記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項１９】
１枚以上の膜リーフが、開放縁部と対向するシールされた遠位縁部を有し、シールされた遠位縁部が、１枚以上の膜シートの関連付けられた遠位縁部から離間している、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項２０】
フィードスペーサシートの厚さが、７．８７×１０-2ｃｍ以上である、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項２１】
フィードスペーサシートの厚さが、約８．１３×１０-2ｃｍ〜８．８９×１０-2ｃｍである、請求項１１記載のスパイラル巻回膜エレメント。
【請求項２２】
ａ）透過液キャリアと、１枚以上の膜シートと
を含む膜リーフであって、
ｂ）透過液キャリアが、縁部で１枚以上の膜シートにシールされ、透過液キャリアが、透過液キャリアの側縁部が１枚以上の膜シートの関連付けられた側縁部から離間した状態で１枚以上の膜シート内に位置決めされ、
ｃ）膜リーフが、収集器と流体連絡した縁部を有する、
膜リーフ。
【請求項２３】
ａ）透過液キャリアシートを、第１の膜シート上の、透過液キャリアシートの側縁部が膜シートの関連付けられた側縁部から離間する位置に配置する段階と、
ｂ）透過液キャリアシートの側縁部と第１の膜シートの関連付けられた側縁部の間に接着剤を塗布し、透過液キャリアシート又は第１の膜シート或いはその両方の追加の縁部に接着剤を塗布する段階と、
ｃ）透過液キャリアシート上に第２の膜シートを配置して、２枚の膜シートの間に透過液キャリアを位置決めする段階と、
ｄ）接着剤を広げて透過液キャリアシートの側縁部に接触させる段階と
を含む、膜リーフを作製する方法。
【請求項２４】
ステップ（ｄ）で、接着剤を透過液キャリアシートの側縁部に０．２５４ｃｍ以上浸透させる、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（ｄ）で、接着剤を透過液キャリアシートに約０．６３５ｃｍ〜８．８９ｃｍ浸透させる、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
ステップ（ｄ）で、接着剤を透過液キャリアシートに約１．２７ｃｍ〜５．０８ｃｍ浸透させる、請求項２３記載の方法。
【請求項２７】
ステップ（ｄ）が、膜シートを圧着させることによって行われる、請求項２３記載の方法。
【請求項２８】
ステップ（ｄ）が、膜リーフ及び１枚以上のブラインチャネルスペーサシートを中央管の周りに巻き付けることによって行われる、請求項２３記載の方法。
【請求項２９】
ステップ（ｂ）が、透過液キャリアシートの側縁部に当接する、又は透過液キャリアシートの側縁部に部分的に重なる接着剤を塗布することを含む、請求項２３記載の方法。
【請求項３０】
ａ）中央管と、
ｂ）透過液キャリア及び１枚以上の膜シートを含む１枚以上の膜リーフと
を備えるスパイラル巻回膜エレメントであって、
１枚以上の膜シートの１つの縁部がシールされ、透過液キャリアが、透過液キャリアの縁部が１枚以上の膜シートの関連付けられた縁部から離間した状態で１枚以上の膜シート内に位置決めされ、
ｃ）１枚以上の膜リーフが、中央管と流体連絡した開放縁部を有し、
ｄ）１枚以上の膜リーフが、フィードスペーサシートと最低でも１対１の関係で中央管の周りに巻き付けられる、
スパイラル巻回膜エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、膜エレメント及び膜モジュール、並びに膜エレメント及び膜モジュールの透過液キャリアに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の記述は、以下に述べるものがいずれも、広く一般に知られている、又は従来技術として引用可能であることを承認するものではない。
【０００３】
スパイラル巻回膜エレメントは、１枚以上の膜リーフ及びフィードスペーサシートを有孔中央管に巻き付けることによって作製される。膜リーフは、２枚のほぼ方形の膜シートの間に配置された透過液キャリアシートを有する。これらの膜シートは、３つの縁部がシールされている。リーフの第４の縁部は開いており、中央管に当接している。また、１層以上の透過液キャリアシートを中央管の周りに巻き付けて、中央管の孔の上で膜リーフを支持し、リーフの縁部と中央管の間に流路を形成することができる。透過液とも呼ばれる生産水は、膜シートを通過した後、透過液キャリアシートの中を流れて、中央管に到達する。米国特許出願公開第２００７／００６８８６４号に、スパイラル巻回膜エレメントの１例が記載されている。
【０００４】
透過液キャリアシートは、ポリエステル、ポリプロピレン、ナイロン又はその他の適当な合成材料のうちの１種類以上で構成されたヤーン又はフィラメントで編んだトリコット生地とすることができる。エポキシコーティング、メラミンコーティング又は熱処理によって、フィラメントの相対的な移動を低減し、トリコット生地を強化することができる。トリコット生地は多孔質であり、生地の片側に、溝によって隔てられた一連の平行なリッジを形成しており、これにより膜リーフが潰れないようになっている。溝は、中央管に対して直交するように配向されて、透過液が膜リーフを通って中央管まで内側に流れる通路を塞がりにくくしている。例えばフェルト或いはその他の不織又はその他の多孔性シート材料で構成された、別個の補強又はバギング防止層を、膜シートとトリコット生地の間に配置して、膜シートがトリコットの溝の中に押し込まれないように補助することができる。
【０００５】
米国特許第６６５６３６２号には、高圧スパイラル巻回膜とともに使用することができる透過液キャリアシート及び補強シートの様々な寸法及び材料が開示されている。国際公開第ＷＯ０３／１０１５７５号には、流れの抵抗を小さくするように意図された透過液キャリアの材料が開示されている。米国特許第４８０２９８２号及び第７０４８８５５号には、膜シートに直接接着される透過液キャリアの材料が記載されている。米国特許出願公開第２００４／０１９５１６４号には、ａ）中央管の孔の総面積に中央管の周りに巻き付けた透過液キャリアの１つの層の開口の割合を掛けた積が、ｂ）中央管の内側の断面積以上となる、スパイラル巻回膜エレメントが記載されている。
【発明の概要】
【０００６】
以下に詳細に述べる透過液キャリアは、その中央部分より薄い１以上の境界を、その側縁部に有する。この透過液キャリアは、スパイラル巻回膜エレメント又はモジュールの膜リーフで使用することができる。膜リーフ内では、透過液キャリアは、上側膜シートと下側膜シートの間に位置する。これらの１以上の境界と、その他にシールする必要がある縁部がリーフにあればその縁部にも、接着剤を複数本の線状に塗布する。リーフを中央管の周りに巻き付ける前、又は巻き付けている間、或いはその両方で、膜リーフに圧縮力を加えることにより、接着剤を透過液キャリアの中に浸透させて、２枚の膜シートを結合する。
【０００７】
膜リーフに加えた圧縮力により、接着剤の線も広がる、又は拡大するが、その広がりは場合によっては不均一になる。接着剤の線の幅が太くなれば、有効膜面積、すなわち生産水が透過することができる膜面積は、それに応じて減少する。さらに、透過液キャリアは、一連の透過液チャネルを含むが、広がっていく接着剤が局所的に膨らむと、これらのチャネルの１以上が閉塞する可能性がある。透過液キャリアの比較的薄い境界と中央部分の間の移行部は、接着剤が移行部を超えて透過液キャリアの中央部分に広がらないようにする。移行部は、エレメントの端部をトリミングして最終的な長さにした後で、接着剤が十分な幅を持つように位置づけられる。移行部は、接着剤が、境界に接着剤が不足している部分があればその部分まで、又はエレメントを最終的な長さにトリミングしたときに除去されることになる膜リーフの外側まで、移行部と平行に広がるように促す。これにより、膜リーフの有効面積の喪失が軽減され、十分な量の接着剤を提供するのに必要な程度を超えて透過液チャネルが閉塞されるのを軽減されることになる。
【０００８】
膜リーフを中央管の周りに巻き付けた後、接着剤ライン付きの側縁部は、中央管の周りに渦巻き状に延びる。比較的薄い境界でなければ、膜エレメントの端部は中央部分より直径が大きくなる。エレメントの端部の外径によって、所与の内径を有する圧力容器内に配置することができる膜リーフの数又は長さが制限される。透過液キャリアの境界を比較的薄くすることで、普通なら接着剤によってエレメントの端部の直径が増大する可能性があるが、そうした増大があったとしても、少なくとも軽減はされる。したがって、所与の内径を有する圧力容器内に、より多くの、又はより長い膜リーフを配置することができ、これによりエレメントの有効膜面積を増大させることができる。
【０００９】
以下に詳細に述べる第２の透過液キャリアは、薄くはないが膜リーフ内の関連付けられた膜シートの寸法より細い境界を、１以上有する。これにより、第２の透過液キャリアの側縁部を、膜シートの側縁部から離間させることができる。
【００１０】
接着剤を膜シートの縁部に塗布して、第２の透過液キャリアを含む膜リーフの１以上の縁部をシールすることができる。スパイラル巻回膜エレメントを中央管の周りに巻き付ける前、又は巻き付けている間、或いはその両方で、膜リーフに圧縮力を加えることができる。この圧縮力により、接着剤を、第２の透過液キャリアの縁部に向かって進出させる、又は広げることができ、第２の透過液キャリアに浸透させることができる。この接着剤の染み込みにより、第２の透過液キャリアを膜シートの少なくとも一部分にシール又は接着することができ、膜シートの縁部をシールして、第２の透過液キャリアが内部に位置決めされた膜リーフを形成することができる。
【００１１】
通常のスパイラル巻回膜エレメントは、膜シートとほぼ同じ幅の透過液キャリアシートを使用する。接着剤のラインは、透過液キャリアシートの上及び／又は下に塗布される。通常の膜リーフの構築では、接着剤は、透過液キャリアシートと膜シートの間の界面に残る傾向があることがあり、これにより、上述のように側縁部に沿って膜リーフの厚さが増大することがある。膜リーフ及びフィードチャネルスペーサを中央管に巻き付けたとき、接着剤を含む膜リーフの側縁部は、中央管の周りに渦巻き状に複数の同心の層として延びる。透過液キャリアシート、膜シート及び接着剤の厚さにより、スパイラル巻回膜エレメントは、複数の接着剤層がないその中央部分より、両端部の方が厚くなる可能性がある。
【００１２】
スパイラル巻回膜エレメントの端部の厚さにより、所与の内径を有する圧力容器内に嵌合する膜リーフの数が制限されることがある。膜リーフの側縁部の厚さの低減に寄与する透過液キャリアシートを提供することにより、膜エレメントの端部の厚さを減少させる。第２の透過液キャリアシートは、膜リーフの構築中に接着剤が第２の透過液キャリアを覆う、第２の透過液キャリアに広がる、又は第２の透過液キャリアに染み込むことを可能にし、それにより膜リーフの側縁部の厚さに対する接着剤の寄与を減少させることができることが好ましい。エレメントの端部の厚さが減少すれば、所与の内径を有する圧力容器内により多くの、又はより長い膜リーフを嵌合させることができ、それにより有効膜面積を増大させることができる。
【００１３】
スパイラル巻回膜エレメントの基本要件は、高い透過液スループット又は透過液流量、高い溶質阻止率、低い膜汚れ傾向、及び効率的なエネルギー利用である。本明細書に記載する透過液キャリアは、溶質阻止率に実質的に影響を及ぼすことなく、又は膜汚れを増加させることなく、透過液流量を向上させることを目的としている。エネルギー入力を増加させることなく、所与の内径を有する圧力容器内の有効膜面積を増大させることによって、透過液流量を増加させる。
【００１４】
いくつかの濾過の適用分野では、供給水が、フィードスペーサのチャネルとも呼ばれる孔を詰まらせる粒子状物質又は固体物質を含有している可能性がある。このフィードチャネルの詰まりにより、膜の両側にかかる圧力が失われ、透過液生成速度が低下する可能性がある。適宜、透過液キャリアシートがスパイラル巻回膜エレメントの端部の直径を減少させる場合には、さらに厚いフィードスペーサを使用することもできる。フィードスペーサが厚くなると、チャネルも大きくすることができ、これにより詰まりを軽減する、又は詰まりの発生を遅らせることができる。
【００１５】
本明細書に記載する透過液キャリアは、様々な構成の膜エレメント及びモジュールで使用することができる。特に、構築中に膜リーフをシールした結果として縁部が厚くなった１枚以上の膜リーフによって、透過液流量又はその他の点で制限される膜エレメント及びモジュールで使用することができる。適宜、本明細書に記載する透過液キャリアは、スパイラル巻回膜エレメント又はモジュールの膜リーフ、或いはその他のタイプのシート型膜エレメント及びモジュールで使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スパイラル巻回膜エレメントを示す切欠き斜視図である。
【図２】図１のエレメントを含むスパイラル巻回膜モジュールを示す切欠き斜視図である。
【図３】透過液キャリアを示す上面図である。
【図４】図３の透過液キャリアの一部分を示す側面図である。
【図５】第２の例示的な透過液キャリアを備えた、巻きを解いた状態のスパイラル巻回膜エレメントを示す切欠き斜視図である。
【図６】第２の透過液キャリアを含む膜リーフを示す切欠き上面図である。
【図７】３つの例示的なスパイラル巻回膜エレメントの外径の測定値を示す折れ線グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２を参照すると、スパイラル巻回膜エレメント１０は、１枚以上の膜リーフ１２及びフィードスペーサシート１４を、穿孔した中央管１６の周りに巻き付けることによって形成される。膜リーフ１２は、エンベロープと呼ばれることもある。フィードスペーサシート１４は、ブラインチャネルスペーサと呼ばれることもある。中央管１６は、コア、透過液チューブ、又は生産水収集チューブと呼ばれることもある。リーフ１２は、透過液キャリア２０を取り囲む２枚のほぼ方形の膜シートを備える。膜リーフ１２の縁部のうち、中央管１６に当接する縁部は開いているが、残り３つの縁部は、例えば接着剤でシールされている。それほどよくあるケースではないが、膜リーフ１２の２枚の膜シート１８は、リーフの先端では折り目に沿って接合することもでき、その場合には、膜リーフ１２の２つの側縁部のみが接着剤でシールされる。図１及び図２では、透過液キャリア２０は概略的にしか示していないが、図３及び図４にさらに詳細に示す。
【００１８】
膜シート１８は、支持層又は裏地層にキャストされた分離層を有することもある。この分離層は、例えば酢酸セルロース、ポリアミド、薄膜複合材、又はその他の分離膜を形成することができる材料とすることができる。分離層は、例えば逆透過、ナノ濾過又はウルトラ濾過の範囲の孔を有することもある。透過液とも呼ばれる濾過された生産水は膜シートを通過するが、溶解塩又は浮遊物質或いはその他の汚染物質の通過は、膜シート１８により、その孔サイズに応じて拒絶される。
【００１９】
透過液キャリア２０は、膜リーフ１２の開放当接縁部を介して中央管１６の複数列の小孔２２と流体接触している。第１の膜リーフ１２を中央管１６に取り付ける前に、膜リーフ１２の透過液キャリア２０と同じ材料であることもそうでないこともある追加の透過液キャリアシート（図示せず）、又は第１の膜リーフ１２の透過液キャリア２０の延長部を、中央管１６に１層以上巻き付けてもよい。この最初に巻き付けた透過液キャリア２０が、孔２２の上で膜リーフ１２を支持し、透過水を膜リーフ１２から中央管１６の孔２２に送る経路を形成する。孔２２は、通常は約０．１２５インチ（３．２ｍｍ）の直径を有し、生産水を中央管１６の内側に送る。
【００２０】
各リーフ１２は、やはり中央管１６に巻き付けられるフィードスペーサシート１４によって分離される。フィードスペーサ１４は、エレメント１０の両端部と流体接触しており、膜シート１８の表面を横切る供給溶液の導管として働く。供給流の方向は、中央管１６の軸Ａと平行な、導入端部２４から濃縮端部２６に向かう方向である。
【００２１】
図２を参照すると、スパイラル巻回膜モジュール３０は、圧力容器３２内に配置されたエレメント１０を有する。圧力容器３２は、ほぼ管状の本体３４、入口端部３６、及び出口端部３８を有する。供給水は、圧力容器３２の入口（図示せず）から入る。供給水は、エレメント１０のフィードスペーサ１４を通って移動する。ブライン、濃縮水又は廃水と呼ばれることもある膜シート１８を通過しない供給水の一部は、排出管４２を通って圧力容器３２から出る。生産水又は透過液は、中央管１６内に集まった後、通常は、中央管１６の第１の端部５２から第２の端部５４の方向に移動する。最後のエレメント１０、又はエレメント１０が１つしかない場合にはそのエレメント１０の第２の端部５４は、シールされていてもよいし、圧力容器３２から出ていてもよいし、又は圧力容器から出ている取付具に接続されていてもよい。最初のエレメント１０、又はエレメント１０が１つしかない場合にはそのエレメント１０の第１の端部５２は、シールされていてもよいし、圧力容器３２から出ていてもよいし、又は圧力容器３２から出ている取付具に接続されていてもよい。圧力容器３２内に複数のエレメント１０がある場合には、上流側のエレメント１０の第２の端部５４は、通常は、下流側のエレメントの第１の端部５２に接続される。供給水は、圧力容器内の複数のエレメント１０のフィードスペーサ１４の中を順番に流れる。エレメント１０の外側ラップ（図示せず）と圧力容器３２の内側の間に周縁シールを設けて、供給水がフィードスペーサ１４を通過せずにエレメント１０を流れることを防止することができる。
【００２２】
図３及び図４は、透過液キャリア２０をさらに詳細に示す図である。透過液キャリア２０は中央部分６０と、１つ又は好ましくは２つの境界６２とを有する。境界６２は、中央管１６に対して開く透過液キャリア２０の前縁部６４に対してほぼ直交している。透過液キャリア２０は、例えば高分子フィラメントの織物シートとすることができる。透過液キャリア２０のフィラメントは、ナイロン、ポリプロピレン又はポリエステルなどの有機高分子で構成することができる。フィラメントをエポキシ又はメラミンでコーティングする、或いは織物の透過液キャリア２０にエポキシ又はメラミンを含浸させて、透過液キャリア２０の安定化を助けることもできる。
【００２３】
中央部分６０、及び適宜境界６２は、織り込んでトリコット生地にすることができる。トリコット生地では、ヤーンはニットの列に沿って垂直方向にジグザグに走り、生地の畝側とも呼ばれる表側に透過液チャネル６８を隔てる一連の平行な一段高い畝６６を生じる。生地のコース側とも呼ばれる裏側には、一段高い畝６６に対して直交するリブが形成されるが、リブは一段高い畝６６ほど明確に画定されておらず、一段高い畝６６ほど高くもない。移行部７０が、中央部分６０と境界６２を隔てている。
【００２４】
境界６２は、最初は均質であった透過液キャリア２０の側縁部に圧力を印加することによって形成することができる。例えば、側縁部をカレンダー加工してもよい。或いは、薄い境界６２を用いて透過液キャリア２０を作製することもできる。例えば、従来の透過液スペーサの作製に用いられるような縦編みプロセス中で、シートの縁部に（縦方向に）細いヤーンを使用することができる。さらに別の例として、シートは、その縁部に畝をつくらないように編んでもよい。これら２つの基本技術を組み合わせてもよい。例えば、縁部に用いるヤーンをより変形しやすいものにして、又は縁部ではインチ当たりの畝の数を減らして生地を編み、その後に縁部に圧力を印加することもできる。
【００２５】
発明者等は、均質な透過液キャリアを用いて作製した膜リーフは、膜リーフの他の部分より２〜５ミル（１ミルは１／１０００インチであって２．５４×１０-3ｃｍに等しいので、約５．０８×１０-3ｃｍ〜１．２７×１０-2ｃｍ）、又は１０〜２２％厚い側縁部（中央管と直交する縁部）を有する傾向があることを発見した。この厚さの増大は、膜リーフの縁部をシールするために使用するグルーラインとも呼ばれる接着剤によってもたらされるものである。架橋型接着剤、熱接着剤、紫外線硬化性接着剤、ホットメルト接着剤など（ただしこれらに限定されない）、様々なタイプの接着剤を使用することができる。エレメントの外径は、通常は圧力容器の内径に関連して狭い範囲内に維持されるので、エレメントの制限直径は、通常は、膜リーフの側縁部によって与えられる。
【００２６】
上述の透過液キャリア２０では、境界６２の厚さが薄くなるので、膜リーフ１２の側縁部の厚さも薄くなる。例えば、透過液キャリア２０の境界６２における厚さを、透過液キャリア２０の中央部分６０より２〜５ミル薄くすることができる。膜リーフ１２の側縁部の厚さの増大が少なくとも緩和はされ、適宜、膜リーフ１２の側縁部を、膜リーフ１２の中央部分より薄くするか、又はそれと同じ厚さにすることもできる。各膜リーフ１２を長くする、又は別の膜リーフ１２を追加して、エレメント１０の総膜面積を増大することができる。
【００２７】
また、発明者等は、グルーラインが膜リーフの有効面積を著しく減少させることも発見した。通常の製造プロセスでは、１枚の膜シートをテーブル上に水平に敷き、その上に均質な透過液キャリアを置く。グルーラインを、この均質な透過液キャリアの２つの側縁部及びリーフ先端縁部に配置する。この均質な透過液キャリア及びグルーラインの上に別の膜シートを配置して、リーフが完成する。リーフの縁部は、テーブル上に載っている間に圧縮することができる。また、リーフは、その中央管に巻き付けてあるときに加わる張力によっても圧縮される。リーフが圧縮されるにつれて、グルーは、その最初の位置から広がる。グルーが内側に広がることにより、有効膜面積が減少する。グルーラインの幅は、例えば自動的にグルーを塗布したときの１インチ（約２．５４ｃｍ）から手作業でグルーを塗布したときの１．７５インチ（約４．４４ｃｍ）の間で変化する可能性がある。グルーラインを配置するときにグルーラインが内側に逸れたり、グルーラインを塗布するときにグルーラインの太さが局所的に太くなったり、又は局所的に強く圧縮されたりすることにより、グルーラインの幅が局所的にさらに太くなることもある。
【００２８】
同様の製造技術をエレメント１０とともに使用することもできるが、さらに薄い境界６２を有する透過液キャリア２０を使用するときには、接着剤は、移行部７０を超えて内側に広がるより、外側に広がりやすい。移行部７０は、膜リーフ１２の側縁部における接着剤の幅が十分ではあるが大きくなりすぎないように位置づけられる。このように、境界６２は、膜の有効面積が過度に失われないようにしている。通常の手作業で丸めるエレメントと比較すると、自動グルーイングで得られる１インチの側方グルーラインを超えて接着剤が広がるのを制限することにより、有効膜面積を約４％増大させることもできる。ただし、発明者等は、移行部７０の存在によりさらに細いグルーラインでも十分である可能性があり、それに応じてエレメント当たりの有効膜面積も増大するものと考えている。さらなる利点は、本来開いているはずの透過液チャネルの局所的な閉塞が減少することであり、これにより、閉塞部の先の膜領域の生産的を高めることができる。場合によっては、エレメント当たり使用されるグルーの量を減らすこともできる。
【００２９】
図５は、巻きを解いた状態の第２の例示的なスパイラル巻回膜エレメント１１０を示す図である。このスパイラル巻回膜エレメント１１０は、使用される透過液キャリア以外は、エレメント１０と同じでよい。例えば、スパイラル巻回膜エレメント１１０は、有孔中央管１１６の周りに巻き付け、圧力容器３２内に収容することができる、１枚以上の膜リーフ１１２及び１枚以上のフィードスペーサシート１１４を備える。これらの膜リーフ１１２も、膜エンベロープと呼ばれることがある。各膜リーフ１１２は、２枚のほぼ方形の膜シート１１８の間に位置する第２の例の透過液キャリア１２０を含む。膜リーフ１１２は、３つの縁部をシールし、中央管１１６に最も近い縁部を開放状態にしておくことができる。フィードスペーサシート１１４は、膜リーフ１１２に隣接して位置決めすることができる。スパイラル巻回膜エレメント１１０内に複数の膜リーフ１１２が存在する場合には、フィードスペーサシート１１４は、隣接する膜リーフ１１２どうしの間に位置決めすることができる。例えば、各膜リーフ１１２ごとに１枚以上のフィードスペーサシート１１４を設けることができる。
【００３０】
第２の透過液キャリア１２０は、上述の透過液キャリア２０と同じ材料で構成することができる。
【００３１】
開放縁部に対して直交する膜リーフ１１２の縁部は、それぞれ、第２の透過液キャリアシート１２０、膜シート１１８及び膜リーフ１１２の側縁部と呼ばれる。第２の透過液キャリアシート１２０の側縁部は、上述の透過液キャリア２０上に１以上の境界がある場合と同じ縁部である。ただし、透過液キャリア１２０の側縁部の薄膜化は行われていない。透過液キャリア１２０の側縁部は、膜シート１１８の側縁部と関連付けられる。例えば、第２の透過液キャリア１２０の１つの側縁部は、膜リーフ１１２の同じ側にある膜シート１１８の側縁部と関連付けられる。側縁部と側縁部の間の距離は、それぞれ、第２の透過液キャリアシート１２０、膜シート１１８及び膜リーフ１１２の幅と呼ばれる。
【００３２】
膜リーフ１１２の２枚の隣接する膜シート１１８の縁部のうち開放縁部と対向する縁部はシールされ、開放縁部と対向する第２の透過液キャリア１２０の縁部と関連付けられる。第２の透過液キャリア１２０及び２枚の隣接する膜シート１１８の長さは、これらの縁部がそれに沿って整列するように同じにするか、又は近い値にしてもよいし、そのようにしなくてもよい。これらの縁部は、それぞれ、膜シート１１８、第２の透過液キャリア１２０及び膜リーフ１１２の遠位縁部と呼ばれることもある。
【００３３】
図５では、第２の透過液キャリア１２０は、隣接する膜シート１１８より細く示してある。第２の透過液キャリア１２０の側縁部は、隣接する膜シート１１８のそれぞれ関連付けられた側縁部から離間している。第２の透過液キャリア１２０の側縁部と、それらと関連付けられた膜シート１１８の側縁部の間の距離によって、膜リーフ１１２の両側に境界領域１６４が画定される。境界領域１６４は、接着剤のラインを膜シート１１８上に配置して膜リーフ１１２の側縁部を完成させることができる領域である。
【００３４】
第２の透過液キャリア１２０は、様々な幅を有することができる。例えば、膜シート１１８は、４０インチ（約１０１．６ｃｍ）の幅を有することができ、第２の透過液キャリア１２０は、３０インチ（約７６．２ｃｍ）の幅を有することができ、これにより、第２の透過液キャリア１２０の両側で境界領域１６４が５インチ（約１２．７ｃｍ）になることが決まる。適宜、第２の透過液キャリア１２０は、ほぼ３２インチ〜３８インチ（約８１．３ｃｍ〜９６．５ｃｍ）の範囲、又はその間に含まれるそれより小さい範囲内の幅を有することができる。第２の透過液キャリア１２０は、ほぼ３４インチ〜３７インチ（約８６．４ｃｍ〜９４ｃｍ）の間の幅を有することが好ましい。
【００３５】
図６は、中央管１１６に隣接して位置決めされる膜リーフ１１２を示す部分切欠き図である。図示の最上層は、膜シート１１８の分離層１６０であり、最下層は隣接する膜シート１１８の裏地側１６２である。これら２枚の膜シート１１８の間に、第２の透過液キャリア１２０が位置決めされる。第２の透過液キャリア１２０の側縁部は、中央管１１６に対して直交し、膜シート１１８の側縁部から離間して、膜シート１１８の両側に境界領域１６４を画定している。境界領域１６４は、両側で同じにすることができるが、必ずしも同じにしなくてもよい。
【００３６】
膜リーフ１１２の縁部をシールするために、位置合わせした膜シート１１８及び第２の透過液キャリア１２０の遠位縁部、又はその付近に接着剤を塗布することができる。膜リーフ１１２は、予めシールされたポケット又は予め形成されたポケットではない。接着剤は、裏地側１６２の境界領域１６４内に、通常は膜シート１１８の側縁部から約１インチ（約２．５４ｃｍ）のところに塗布することもできる。接着剤は、スパイラル巻回膜エレメント１１０の圧縮又は丸め中に、境界領域１６４を通って広がることができる。
【００３７】
適宜、機械によって、膜シート１１８の幅より広くかつ接着剤の厚さより薄い接着剤のラインを塗布することもできる。この機械塗布したグルーラインは、それと分かるほど広がる必要がない、又は少なくともそれほどは広がる必要がないことがある。適宜、機械塗布したグルーラインは、第２の透過液キャリア１２０の側縁部に当接する、又はこれと部分的に重なっていてもよい。適宜、機械塗布したグルーラインは、透過液キャリアの遠位縁部に当接する、又はこれと部分的に重なっていてもよい。
【００３８】
境界領域１６４を通って広がる、又は進出する間、かつ硬化する前に、接着剤は、第２の透過液キャリア１２０の側縁部に接触してもよい。広がって側縁部に接触することで、接着剤が第２の透過液キャリア１２０の織物構造中に染み込むことができる。接着剤は、第２の透過液キャリア１２０の側縁部を約０．１インチ（約０．２５４ｃｍ）以上超えて、第２の透過液キャリア１２０中に染み込むことができる。適宜、接着剤は、０．２５インチ（約０．６３５ｃｍ）〜３．５インチ（約８．８９ｃｍ）、又はその間のそれより小さい範囲内の距離だけ第２の透過液キャリア１２０の側縁部を超えて、第２の透過液キャリアシート１２０に染み込むことができる。接着剤は、第２の透過液キャリア１２０の側縁部を０．５インチ（約１．２７ｃｍ）〜２インチ（約５．０８ｃｍ）超えて第２の透過液キャリア１２０の織物構造中に染み込むことが好ましい。接着剤が広がり、側縁部において第２の透過液キャリア１２０に染み込むことにより、側路の形成を防止し、第２の透過液キャリア１２０と膜シート１１８の間の界面に残る接着剤の量を低減することができる。
【００３９】
接着剤が広がる又は進出する距離は、塗布される接着剤の量、塗布される接着剤の種類、接着剤を塗布する方法、接着剤又は膜リーフ１１２の部品に印加する機械的な力、及び温度など（ただしこれらに限定されない）、様々な要因によって決まる可能性があることを理解されたい。上記に示した接着剤が第２の透過液キャリア１２０の縁部を超えて進出することができる距離の範囲は、単なる例示である。
【００４０】
接着剤が硬化すると、第２の透過液キャリア１２０を膜シート１１８にシール又は接着し、膜シート１１８を隣接する膜リート１１８にシールして、膜リーフ１１２のシール縁部を形成することができる。
【００４１】
適宜、第２の透過液キャリア１２０の一部分が、膜リーフ１１２以上の幅を有していてもよい。透過液キャリアのこの部分は、中央管１１６に巻き付ける最初のラップ又はベースラップとして使用して、膜リーフ１１２を支持することができる。
【００４２】
膜リーフ１１２の別の選択肢として、第２の透過液キャリア１２０の遠位縁部も、膜シート１１８の関連付けられた遠位縁部から離間させることができる。この場合には、遠位縁部において接着剤が第２の透過液キャリア１２０の中に広がって透過するので、３つのシール縁部における膜リーフの全体的な厚さを薄くすることができる。これにより、さらに多くの膜リーフ１１２、又は適宜さらに長い膜リーフ１２２を含めることが可能になり、それによりスパイラル巻回膜エレメント１１０全体の有効表面積を増大させることができる。
【００４３】
別の選択肢では、エレメント１０、１１０において、さらに厚いフィードスペーサ（図示せず）を使用することができる。例えば、通常のフィードスペーサシート１１４の厚さが約３１ミル（約７．８７×１０-2ｃｍ）の場合には、約３２ミル〜３５ミル（約８．１３×１０-2ｃｍ〜８．８９×１０-2ｃｍ）又はそれ以上、或いはその間のそれより小さい範囲内の厚さを有する、さらに厚いフィードスペーサを使用することができる。この場合、エレメント１０、１１０のその他の全ての寸法は変えずにそのままとすることができ、エレメントが所与の圧力容器３２のいずれの寸法制約も超えなければ、含める膜リーフ１２、１１２の数を増やすことも、減らすことも、又は同じ数にすることもできる。例えば、フィードスペーサチャネルの詰まりが極めて起こりやすい濾過の適用分野では、厚さ３５ミル（約８．８９×１０-2ｃｍ）の厚いフィードスペーサを準備して、膜リーフ１２、１１２の数は減らすことができる。代替例では、詰まりが起こりにくいが、やはり詰まりが動作を制限する濾過の適用分野では、厚さ３２ミル（約８．１３×１０-2ｃｍ）のフィードスペーサを、通常の数の、又は場合によってはそれ以上の数の膜リーフ１２、１１２とともに使用することが好ましいことがある。
【００４４】
別の選択肢では、第２の透過液キャリア１２０は、第２の透過液キャリア１２０の側縁部が膜シート１１８の側縁部から離間して膜リーフ１１２の両側に境界領域１６４を画定するような位置で、裏地表面１６２に接着することもできる。
【００４５】
実施例
発明者等は、３つの異なるスパイラル巻回膜エレメント２００、２０２及び２０４を準備した。表１は、スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２、２０４を準備するために使用した部品及びそれらの概算寸法をまとめたものである。上述のように、幅の測定値は、中央管と平行に延びる縁部のサイズを反映する。長さの測定値は、中央管に直交するように延びる側縁部のサイズを反映する。
【００４６】
【表１】
2014532546.tif 000003
同様の条件を使用して、スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２及び２０４の３つ全てで使用する膜シートを作製した。スパイラル巻回膜エレメント２００で使用する透過液キャリアシートの材料は、スパイラル巻回膜エレメント２０２及び２０４で使用する透過液キャリアシートとは異なる。使用する材料の違いにより、実際の透過液流量の測定値が、スパイラル巻回膜エレメント２００で使用する材料より約２％向上し得る。
【００４７】
スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２及び２０４のそれぞれを、上述のように遠位縁部をシールし、また各膜シートの側縁部から約１インチ（２．５４ｃｍ）のところに接着剤が１本の線状に塗布して作製し、次いで、これらのエレメントを、外径が３８．１ｍｍになるように中央管の周りに巻き、接着剤を硬化させた。スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２、２０４の端部を移動防止装置（ＡＴＤ）で固定した後、各スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２、２０４を、ガラス繊維製の外側ラップで巻いた。
【００４８】
図７は、スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２及び２０４の外径を、それぞれの長さ方向に沿った５つの位置で測定した値を示すグラフである。位置１及び５は、両端である。位置３は中心点であり、位置２は、位置１と位置３の間の中心点、位置４は、位置３と位置５の間の中心点である。スパイラル巻回膜エレメント２００の外径測定値では、通常のスパイラル巻回膜エレメントで観測されるように、中央部より端部の方が外径が大きくなることが予測されると示された。スパイラル巻回膜エレメント２０２、２０４の外径測定値は、この予想される差違を示さなかった。スパイラル巻回膜エレメント２００と比較すると、スパイラル巻回膜エレメント２０２、２０４は、測定した全ての位置で外径が大きかった。このように直径が大きくなるのは、スパイラル巻回膜エレメント２０２及び２０４において内部の膜リーフの数が増えているためである可能性が高い。スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２及び２０４の端部の断面積を調べ、透過液キャリアシートの同心層間の距離を測定したところ、スパイラル巻回膜エレメント２００では６ｍｍ、スパイラル巻回膜エレメント２０２及び２０４では５．２ｍｍであった。
【００４９】
発明者等は、標準的な真空試験により、スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２、２０４内の膜リーフのシール縁部の結合性を試験した。この真空試験では、スパイラル巻回膜エレメント２００及び２０２が適切にシールされていることが分かった。以下でさらに述べるように、スパイラル巻回膜エレメント２０４は、膜リーフが適切にシールされていなかった。
【００５０】
以下の表２は、有効膜シート面積の計算値及び要素流量の計算値をまとめたものである。膜シートの有効面積の計算値は、接着剤のラインの間の供給原料にさらされる膜シートの面積として定義される。
【００５１】
【表２】
2014532546.tif 000004
発明者等は、圧力２２５ｐｓｉ及び温度２５℃で溶存固体物質の総含有量が３９３１ＰＰＭである供給原料の入った圧力容器内のスパイラル巻回膜エレメント２００及び２０２の実際の機能を試験した。スパイラル巻回膜エレメント２００の実際の流量は、３３９６２ＬＰＭであり、スパイラル巻回膜エレメント２０２の実際の流量は、２７．２％高い４３１９１ＬＰＭであった。
【００５２】
スパイラル巻回膜エレメント２００、２０２及び２０４を切開して、膜リーフの定性評価を行った。スパイラル巻回膜エレメント２００の２枚の膜リーフを調べたところ、これら２枚のリーフは、直線的な接着剤ラインを有していた。
【００５３】
スパイラル巻回膜エレメント２０２の１枚の膜リーフを調べたところ、接着剤ラインの厚さ及び幅は均一に見え、透過液キャリアシートの縁部は接着剤と接触していた。スパイラル巻回膜エレメント２０２の膜シートの折り目で分離層が裏地側から剥離している証拠がある程度あった。観察された欠陥は、スパイラル巻回膜エレメント２０２の機能に大きな影響を及ぼすほど重大なものではなく、膜シートの折り目にテープ又は箔を貼付して支持することができる。
【００５４】
スパイラル巻回膜エレメント２０４の２枚の膜リーフを調べたところ、リーフに、残留した酸化生成物によるものと思われる多少の退色があった。接着剤ラインは、縦方向の外観が波形で厚さは不均一であり、接着剤の不均一な広がりが見られた。透過液キャリアシートの縁部は接着剤で覆われておらず、接着剤が透過液キャリアシートと接触してその側縁部に染み込むのに十分なだけ広がらないチャネリングが側縁部に沿って生じていることを示す証拠があった。接着剤が広がって透過液キャリアと接触してその中に染み込んでいれば、チャネリングは避けられた可能性がある。調べた各膜リーフ内の２枚の膜シートの接着は良好であった。
【００５５】
さらに別の例として、発明者等は、厚さ約９ミル（約２．２８×１０-2ｃｍ）の第２の透過液キャリア１２０及び厚さ約５ミル（約１．２７×１０-2ｃｍ）の膜シート１１８を用いて別のスパイラル巻回膜エレメントを構築した。側縁部における第２の透過液キャリア１２０及び接着剤の全体の厚さは、約１５ミル（約３．８１×１０-2ｃｍ）であった。これに対して、遠位縁部における第２の透過液キャリア１２０及び接着剤の厚さは、約１８ミル（約４．５７×１０-2ｃｍ）であった。観察された側縁部の厚さと遠位縁部の厚さの差は、第２の透過液キャリア１２０と膜シート１１８の間の界面に多くの接着剤が残っていた可能性がある遠位縁部に比べて、境界領域１６４内に広がって第２の透過液キャリア１２０の側縁部に染み込んだ接着剤が多かったことによる可能性がある。発明者等は、スパイラル巻回膜エレメントを手作業で構築する間に、遠位縁部のグルーが他のシール縁部より多くなる可能性があることを発見した。この塗布されるグルーの量の差によって、側縁部より遠位縁部の厚さが目立つことになっている可能性がある。さらに、第２の透過液キャリア１２０の側縁部と、それと関連付けられた膜シート１１８の側縁部の間の距離によって、スパイラル巻回膜エレメント１１０の幾何学的形状が変化する可能性がある。幾何学的形状が変化すると、遠位縁部のスペースが大きくなってグルーを貯留又は収集することが可能になり、これによって側縁部より遠位縁部の方が厚くなる可能性がある。
【００５６】
適宜、透過液キャリア２０及び１２０は、例えば平膜エレメントなど、その他のタイプの膜エレメントの膜リーフで使用することもできる。平膜エレメントでは、膜リーフを互いに上下に、又は横に並べて積み重ねて、方形の断面を有する膜エレメントを形成することができる。この断面が方形の膜エレメントは、方形又は円形の内部断面を有する圧力容器又はその他のタイプの筐体に収容することができ、膜エレメントは、透過液及び廃棄物収集システムと流体連絡する。例えば、膜リーフは、透過液収集チューブ、パイプ、導管又はその他の収集器と流体連絡して、適宜透過液を収集し、送ることができる。このような圧力容器に通常嵌合する膜リーフの数は、接着剤でシールされる膜リーフの側縁部の厚さによって制限されることもある。これらの膜エレメントの有効表面積は、縁部の厚さに寄与する、又は全く寄与しない透過液キャリア２０、１２０を用いることによって増大させることができる。これにより、所与の筐体の物理的寸法内に、さらに多くの膜リーフ１１２を垂直方向、水平方向又はその他の方向に詰めることが可能になることがある。
【００５７】
本明細書では、本発明の実施形態を開示するために、また当業者なら誰でも、例えば任意の装置又はシステムを作製して使用したり、組み込まれる任意の方法を実行したりするなど、本発明の実施形態を実施することができるようにするために、実施例を用いている。本発明の実施形態の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付くその他の実施例を含むことができる。
【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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【国際調査報告】
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