(57)【要約】  テレスコープ防止板の機能を維持しつつ膜面積の増加を可能とするテレスコープ防止板を用いた分離膜エレメントを提供する。分離膜エレメントは上流側テレスコープ防止板１０ａ及び下流側テレスコープ防止板１０ｂを有し、上流側テレスコープ防止板１０ａは、外装体８が外挿される第１環状部１４と、下流側および上流側の端面にそれぞれ外装体８の上流側端部およびシールリング１２の下流側端面を係止可能な第２環状部１５と、シールリング１２が外挿される第３環状部１６と、下流側端面にシールリング１２の上流側端面が係止可能な第４環状部１７からなり、下流側テレスコープ防止板１０ｂは、外装体８が外挿される第５環状部１８と、上流側端面に外装体８の下流側端部を係止可能な第６環状部１９からなることを特徴とする。
2014141967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜、原液流路材および透過液流路材がスパイラル状に巻回されてなるスパイラル巻体の外周に外装体が設けられるとともに前記スパイラル巻体および前記外装体の両端部にそれぞれ上流側テレスコープ防止板および下流側テレスコープ防止板が配設された構造を有し、圧力容器内に直列に複数装填して使用される分離膜エレメントであって、前記上流側テレスコープ防止板は、前記外装体が外挿される第１環状部と、前記第１環状部の上流側に形成され、下流側および上流側の端面にそれぞれ前記外装体の上流側端部およびシールリングの下流側端面を係止可能な第２環状部と、前記第２環状部の上流側に形成され、前記シールリングが外挿される第３環状部と、前記第３環状部の上流側に形成され、下流側端面に前記シールリングの上流側端面が係止可能な第４環状部からなり、さらに、前記下流側テレスコープ防止板は、前記外装体が外挿される第５環状部と、前記第５環状部の下流側に形成され、上流側端面に前記外装体の下流側端部を係止可能な第６環状部からなることを特徴とする分離膜エレメント。
【請求項２】
前記下流側テレスコープ防止板の分離膜エレメント軸方向の幅が、前記上流側テレスコープ防止板の分離膜エレメント軸方向の幅の１５％以上６０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の分離膜エレメント。
【請求項３】
前記第４環状部および前記第６環状部の外径が、分離膜エレメント軸方向について一定であることを特徴とする、請求項１または２に記載の分離膜エレメント。
【請求項４】
前記第５環状部において、上流側端部の外径が下流側端部の外径より大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の分離膜エレメント。
【請求項５】
前記第５環状部が、外周に溝または突起を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の分離膜エレメント。
【請求項６】
前記第１環状部が、前記第５環状部と同一形状であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の分離膜エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜を用いた分離膜エレメントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水淡水化や、半導体分野における超純水製造の用途において、さらには、一般かん水淡水化用途や、有機物分離、廃水再利用などをはじめとする種々の水処理用途において、水処理手段として分離膜を用いた流体分離処理が利用されている。代表的な分離膜としては逆浸透膜が挙げられる。この膜による分離処理では、逆浸透膜を用いた分離膜エレメントが使用され、その使用が急速に増加してきている。【０００３】
分離膜エレメントは、分離膜が透過液流路材と原液流路材と共に集液管の周りにスパイラル状に巻きつけられた構造をとる。図１に示すように、分離膜エレメント１は、分離膜４の３辺を接着して形成した封筒状膜の間に透過液流路材５を挟み込み、これと原液流路材６とを１つの膜ユニット７として、単数もしくは複数用意し、集液孔２を有する集液管３の周囲にスパイラル状に巻きつけてなる。封筒状膜は集液管３側で開口している。原液２０は分離膜エレメント１の一方の端面から供給され、分離膜４で処理される。分離膜４を透過した透過液２１は集液管３から取り出され、分離膜４を透過しなかった原液２０は、分離膜エレメント１の他方の端面から濃縮液として排出される。【０００４】
通常、分離膜エレメント１は長手方向の両端部に、原液２０を分離膜エレメントに端面に供給するための原液流路１１を設けたテレスコープ防止板１０が取り付けられ、さらに外周面を外装体８により覆われた形態をとる。【０００５】
分離膜エレメントを用いて実際に流体分離を行う際には、複数本の分離膜エレメントを、圧力容器内に長手方向に直列に配列して装填することにより分離膜モジュールとして使用される。分離膜による分離性能を効果的に発揮し、かつ分離膜面の汚れを防止するために必要な液量を分離膜面上に流すことが必要であり、このために、４〜８本の分離膜エレメントを圧力容器内に直列に収容して使用されることが多い。直列に配列して装填された分離膜エレメントは、分離膜エレメントの端部のテレスコープ防止板と隣接する分離膜エレメントのテレスコープ防止板とを密接させ、かつ、集液管をコネクタによって繋ぐことによって接続されている。【０００６】
テレスコープ防止板は、分離膜エレメントに高圧で流入する原液によって分離膜エレメント内部の膜ユニットが型崩れする現象を防止するために分離膜エレメントの両端部にそれぞれ設けるものである。一般的に、図１に示すように、集液管と係合する内周環状部と、分離膜エレメントの直径とほぼ同等の直径を有する外周環状部と、これら環状部同士を略放射状方向すなわち環の半径と概ね同じ方向に連結するスポーク部を有するスポーク型のテレスコープ防止板や（特許文献１）、または、丸孔をパンチングした板、あるいはスポークと丸孔パンチング板とを組み合わせて構成される丸孔パンチング型のテレスコープ防止板（特許文献２）が用いられている。【０００７】
また、テレスコープ防止板は、一般的に、図５に示すように、断面がＵ字型やＶ字型の形状のゴム等で作製されたシールリング１２を外挿し、その両端面を係止できる構造となっている。シールリング１２は流体分離時の圧力によって外側に拡がり、圧力容器１３の内面との隙間を封止することで、流体分離時に供給する原液の全量を分離膜エレメントに流入させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国特開平１１−２６７４７０号公報
【特許文献２】日本国特開２００５−１１１４７３号報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、分離膜エレメントに求められている課題の一つに膜面積の増加が挙げられる。しかし、圧力容器の内径や長さの寸法は規格化されているため、分離膜エレメントの外径や長さの寸法にも制限がある。【００１０】
一方、テレスコープ防止板は、一般的に、図５に示すように、分離膜エレメントの上流側と下流側の両端で同一形状のものを設けているが、これに外挿するシールリングは、その要求機能から上流側のみに設ければよく、下流側のテレスコープ防止板にはシールリングを外挿しないため、この部分が余剰スペースになっている。【００１１】
そこで、本発明は、従来のテレスコープ防止板の余剰スペースを削減することにより、テレスコープ防止板の機能を維持しつつ膜面積の増加を可能とするテレスコープ防止板、およびこれを用いた分離膜エレメントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するための本発明の分離膜エレメントは、次の特徴を備えるものである。【００１３】
（１）分離膜、原液流路材および透過液流路材がスパイラル状に巻回されてなるスパイラル巻体の外周に外装体が設けられるとともに前記スパイラル巻体および前記外装体の両端部にそれぞれ上流側テレスコープ防止板および下流側テレスコープ防止板が配設された構造を有し、圧力容器内に直列に複数装填して使用される分離膜エレメントであって、前記上流側テレスコープ防止板は、前記外装体が外挿される第１環状部と、前記第１環状部の上流側に形成され、下流側および上流側の端面にそれぞれ前記外装体の上流側端部およびシールリングの下流側端面を係止可能な第２環状部と、前記第２環状部の上流側に形成され、前記シールリングが外挿される第３環状部と、前記第３環状部の上流側に形成され、下流側端面に前記シールリングの上流側端面が係止可能な第４環状部からなり、さらに、前記下流側テレスコープ防止板は、前記外装体が外挿される第５環状部と、前記第５環状部の下流側に形成され、上流側端面に前記外装体の下流側端部を係止可能な第６環状部からなることを特徴とする分離膜エレメント。【００１４】
（２）前記下流側テレスコープ防止板の分離膜エレメント軸方向の幅が、前記上流側テレスコープ防止板の分離膜エレメント軸方向の幅の１５％以上６０％以下であることを特徴とする、前記（１）に記載の分離膜エレメント。【００１５】
（３）前記第４環状部および前記第６環状部の外径が、分離膜エレメント軸方向について一定であることを特徴とする、前記（１）または前記（２）に記載の分離膜エレメント。【００１６】
（４）前記第５環状部において、上流側端部の外径が下流側端部の外径より大きいことを特徴とする、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の分離膜エレメント。【００１７】
（５）前記第５環状部が、外周に溝または突起を有することを特徴とする、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の分離膜エレメント。【００１８】
（６）前記第１環状部が、前記第５環状部と同一形状であることを特徴とする、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の分離膜エレメント。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、テレスコープ防止板の機能を維持しつつ膜面積の増加を可能とする分離膜エレメントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の分離膜エレメントの一実施態様に係る部分分解斜視図である。
【図２】図２は、本発明の分離膜エレメントを圧力容器に装填した一実施態様の縦断面図である。
【図３】図３Ａ，３Ｂは、本発明の分離膜エレメントを構成するテレスコープ防止板の一例であり、図３Ａは上流側テレスコープ防止板、図３Ｂは下流側テレスコープ防止板を示す縦断面図である。
【図４】図４Ａ，４Ｂは、テレスコープ防止板の別の例を示す図３Ａ，３Ｂに相当する縦断面図である。
【図５】図５は、従来の分離膜エレメントを圧力容器に装填した場合の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明について、最良の実施形態を模式的に示す図面を参照しながら説明する。ただし、本発明の範囲がこれらに限られるものではない。
【００２２】
図２に本発明の分離膜エレメントに係る一実施態様を示す。この分離膜エレメント１において、集液孔を有する集液管３の周りに、分離膜と透過液流路材と原液流路材とを含む膜ユニット７がスパイラル状に巻囲されたスパイラル巻体を形成する。その膜ユニット７の外側に外装体８が形成されて分離膜エレメント１が構成されている。この分離膜エレメント１の端面が露出され、その両端部に、上流側テレスコープ防止板１０ａおよび下流側テレスコープ防止板１０ｂが装着される。上流側テレスコープ防止板１０ａおよび下流側テレスコープ防止板１０ｂは、分離膜エレメント１がテレスコープ状に変形することを防止する役割を果たす。原液２０は上流側テレスコープ防止板１０ａの原液流路を通って膜ユニット７に進入し、膜分離され、透過液２１として集液管３に集められる。分離膜を透過しなかった原液２０は、下流側テレスコープ防止板１０ｂの原液流路から排出される。
【００２３】
上記のように構成された分離膜エレメント１が、圧力容器１３内に複数個直列に収容される。各々の分離膜エレメント１では、原液２０が膜ユニット７に進入するように、上流側テレスコープ防止板１０ａにシールリング１２が外挿され、圧力容器１３の内壁面との間をシールしている。また、互いに隣接する分離膜エレメント１の集液管３は、両方の集液管３に内挿される接続管を介して一体的に接続される。
【００２４】
図３Ａおよび図３Ｂに、本発明の上流側テレスコープ防止板および下流側テレスコープ防止板の一例をそれぞれ示す。上流側テレスコープ防止板１０ａは、第１環状部１４、第２環状部１５、第３環状部１６および第４環状部１７からなる。第１環状部１４は、外装体８が外挿され膜ユニット７のスパイラル巻体の上流側と接続する。第２環状部１５は、第１環状部１４の上流側に形成され、下流側および上流側の端面にそれぞれ外装体８の上流側端部およびシールリングの下流側端面を係止可能にする。第３環状部１６は、第２環状部１５の上流側に形成され、シールリング１２が外挿される。第４環状部１７は、第３環状部１６の上流側に形成され、下流側端面にシールリング１２の上流側端面を係止可能にする。さらに、下流側テレスコープ防止板１０ｂは、第５環状部１８と第６環状部１９からなる。第５環状部１８は、外装体８が外挿され膜ユニット７のスパイラル巻体の上流側と接続する。第６環状部１９は、第５環状部１８の下流側に形成され、上流側端面に外装体８の下流側端部を係止可能にする。
【００２５】
ここで、下流側テレスコープ防止板１０ｂの分離膜エレメント軸方向の幅が、上流側テレスコープ防止板１０ａの分離膜エレメント軸方向の幅に対し、膜面積の増加の点から６０％以下、かつ、強度の確保の点から１５％以上であることが好ましい。下流側テレスコープ防止板１０ｂの分離膜エレメント軸方向の幅が小さ過ぎると、強度が不足し、運転時の高圧に耐えられないおそれがある。
【００２６】
また、第４環状部１７および第６環状部１９の外径が、分離膜エレメント軸方向で一定であることが好ましい。特に、第４環状部１７と第６環状部１９で同一形状、すなわち同一の外径および同一の分離膜エレメント軸方向の幅であることが、外装体８との保持に関する上流側と下流側の対称性の観点から、より好ましい。
【００２７】
また、第４環状部１７および第６環状部１９において、エレメント軸方向に平行な方向に外周面上の溝もしくは突起を設けるか、もしくは第３環状部１６において、外周面と内周面とを貫通する孔を設けることで、テレスコープ防止板の各環状部の外周面と内周面に生じる圧力差による破損を防止することができる。
【００２８】
また、図３Ｂに示すように、第５環状部１８が、上流側端部の外径が下流側端部の外径より大きいこと、もしくは図４Ｂに示すように、外周に溝または突起２３を有することが、外装体を強固に係合し、外装体からの下流側テレスコープ防止板１０ｂの離脱を防ぐ観点から好ましい。また、上流側テレスコープ防止板１０ａについても同様であることから、第１環状部１４が第５環状部１８と面対称の同一形状であることがより好ましい。すなわち、第１環状部１４は、図３Ａに示すように下流側端部の外径が上流側端部の外径より大きいこと、もしくは図４Ａに示すように外周に溝または突起２３を有することが好ましい。
【００２９】
上流側テレスコープ防止板および下流側テレスコープ防止板については、素材は特に限定しないが、生産性、コスト、軽量化の観点から、また、原液に含まれる様々な物質に対する耐薬品性も考慮し、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合樹脂（ＡＢＳ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、変性ポリフェニレンオキシド樹脂（ＰＰＯ）、変性ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ）、ポリオキシメチレン樹脂（ＰＯＭ）からなる群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。また、この群から選ばれる少なくとも１つをガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）として用いても良い。
【００３０】
外装体については、高弾性率繊維を樹脂に含浸し熱硬化させて形成した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のシェルが好ましい。高弾性率繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、樹脂の素材も特に限定しないが、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、メチルメタアクリレート樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。高弾性率繊維および樹脂が膨潤すると、集液管軸方向に伸長し圧力容器へ分離膜エレメントを収納するのが困難となる。これを抑えるため、外装体を形成する高弾性率繊維および樹脂は、吸水率が９０℃温水２４時間浸漬における重量変化率で３％以下であることが好ましい。さらに、外装体は、分離膜エレメントの品名やロット番号等を識別するために膜ユニットの外周面上に貼り付けるラベルが視認可能な、透明性のあるものが好ましい。
【００３１】
外装体の成形については、樹脂に含浸した高弾性率繊維を、一方のテレスコープ防止板の膜ユニット巻囲体側の一端（上流側テレスコープ防止板１０ａの第１環状部１４）から、膜ユニットの外周を覆い、もう一方のテレスコープ防止板の膜ユニット巻囲体側の一端（下流側テレスコープ防止板１０ｂの第５環状部１８）まで巻きつけて熱硬化する方法が挙げられる。この場合、分離膜エレメント使用時にテレスコープ防止板が外装体から離脱もしくは破損するのを防ぐため、テレスコープ防止板の端部と膜ユニットの端部との間で繊維を集液管軸方向に往復させて固定させ、テレスコープ防止板の膜ユニット巻囲体側の一端に係合する部分における外装体の厚みを、膜ユニット巻囲体の軸方向中央部分における外装体の厚みよりも厚くすることが好ましい。また、膜ユニット巻囲体の外径が、テレスコープ防止板の膜ユニット巻囲体側の一端の外径よりも小さくなる場合、外装体における応力集中を防ぐため、外装体の厚みを、テレスコープ防止板の膜ユニット巻囲体側の一端に係合する部分から膜ユニット巻囲体の軸方向中央部分にかけてなだらかに減少させることが好ましい。
【００３２】
シールリングについては、流体分離時の圧力によって外側に拡がり、圧力容器の内面との隙間を封止するため、断面はＵ字型やＶ字型の形状が好ましい。また、素材は特に限定しないが、例えばエチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）またはシリコンゴムが選択される。
【００３３】
本発明の分離膜エレメントによれば、テレスコープ防止板の機能を維持しつつ膜面積の増加を可能とする。すなわち、下流側テレスコープ防止板を、上流側テレスコープ防止板におけるシールリングを外挿するのに必要な部分に相当する軸方向の幅だけ小さくしたため、膜面積の増加が可能となる。
【実施例】
【００３４】
＜比較例１＞
上流側テレスコープ防止板において、各環状部の分離膜エレメント軸方向の幅を、第１環状部７．２ｍｍ、第２環状部４．０ｍｍ、第３環状部８．８ｍｍ、第４環状部４．５ｍｍ、全体２４．５ｍｍとし、下流側テレスコープ防止板は上流側テレスコープ防止板と同一のものを使用して、図５に示すような、エレメント軸方向の長さが９６４ｍｍである膜ユニット２９枚からなる８インチ分離膜エレメントの作製を行った結果、分離膜エレメントの有効膜面積は約４４０平方フィートとなった。【００３５】
＜実施例１＞
上流側テレスコープ防止板において、各環状部の分離膜エレメント軸方向の幅を、第１環状部７．２ｍｍ、第２環状部４．０ｍｍ、第３環状部８．８ｍｍ、第４環状部４．５ｍｍ、全体２４．５ｍｍとした。また、下流側テレスコープ防止板において、各環状部の分離膜エレメント軸方向の幅を、第５環状部７．２ｍｍ、第６環状部４．０ｍｍ、全体１１．２ｍｍとした。この場合、下流側テレスコープ防止板のエレメント軸方向の幅は、上流側テレスコープ防止板の４６％となる。これらのテレスコープ防止板を使用して、図２に示すような、エレメント軸方向の長さが９６４ｍｍである膜ユニット２９枚からなる分離膜エレメントの作製を行った結果、分離膜エレメントの有効膜面積は約４４６平方フィートとなった。すなわち、比較例１で作製した８インチ分離膜エレメントと比較して、有効膜面積が約１．４％増加した。【００３６】
続いて、上記分離膜エレメントの上流側テレスコープ防止板の第３環状部にシールリングを外挿し、圧力容器に装填して、海水の膜分離を運転圧力５．５ＭＰａにて１ヶ月間実施した結果、テレスコープ防止板の外装体からの離脱や膜ユニットの型崩れはなく、テレスコープ防止板の機能を維持していることが確認できた。
【符号の説明】
【００３７】
１    分離膜エレメント
２    集液孔
３    集液管
４    分離膜
５    透過液流路材
６    原液流路材
７    膜ユニット
８    外装体
１０    テレスコープ防止板
１０ａ  上流側テレスコープ防止板
１０ｂ  下流側テレスコープ防止板
１１    原液流路
１２    シールリング
１３    圧力容器
１４    第１環状部
１５    第２環状部
１６    第３環状部
１７    第４環状部
１８    第５環状部
１９    第６環状部
２０    原液
２１    透過液
【図１】
2014141967.tif 000003
【図２】
2014141967.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014141967.tif 000006
【図５】
2014141967.tif 000007
【国際調査報告】
2014141967.tif 000008
2014141967.tif 000009
2014141967.tif 000010