(57)【要約】【課題】内圧式中空糸型液体分離膜モジュールにおいて、透過水および逆洗液の流動抵抗を低減でき、逆洗性に優れ、なおかつ生産性に優れる構造を提供する。【解決手段】円筒状ケースの内径をＤｃ、中空糸型分離膜の束の外径をＤｂ、中空糸膜の有効長をＬｅ、透過水出口のうち同時に使用する透過水出口の数をＮ、としたとき、流路幅係数Ｒ＝（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎ／（Ｄｃ２−Ｄｂ２）／Ｄｃ１／３が２以上１０以下を満たすことを特徴とする内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。【選択図】図１
2008221108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に一つまたは複数の透過水出口を備える筒状ケースを備え、
前記筒状ケース内に中空糸膜束を備え、
前記中空糸膜束は、その両端部において中空糸型分離膜相互間および中空糸型分離膜と前記筒状ケースの間隙が封止され、前記筒状ケースの両端部で中空糸型分離膜内腔部が開口されており、
前記中空糸膜束と前記筒状ケースとの間隙である断面略環状の空間からなり、前記透過水出口と連通する透過液室を備え、
前記透過液室出口における筒状ケースの内径をＤｃ、前記中空糸型分離膜の束の外径をＤｂ、前記中空糸膜の有効長をＬｅ、前記透過水出口のうち同時に使用する透過水出口の数をＮ、としたとき、下記式（１）
Ｒ＝（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎ／（Ｄｃ２−Ｄｂ２）／Ｄｃ１／３    ・・・（１）
によって定義される流路幅係数Ｒが２以上１０以下である
ことを特徴とする内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
【請求項２】
前記流路係数Ｒが３以上９以下である請求項１に記載の内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
【請求項３】
前記透過水出口の中心を含み前記ケースの長軸と直行する断面における前記透過液室について、前記透過水出口側の幅をＬｆ、前記透過水出口の反対側の幅をＬｂとしたとき、Ｌｆ／Ｌｂ＞１であることを特徴とする請求項１または２に記載の内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
【請求項４】
前記透過液室の幅が、Ｌｆ／Ｌｂ≧１．５である請求項１から３いずれかに記載の内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内圧式中空糸型液体分離膜モジュールの内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、膜分離技術による分離精製技術の普及が、その高度な分離機能や省エネルギー性等の特長を高く評価され、一段と進展している。その応用分野を例示すると、海水及びかん水の脱塩による淡水の製造、表流水や地下水の飲料水化、半導体工業や医薬品工業において用いられる純水・超純水の製造、家庭排水や工業排水、都市下水等の下排水処理および下排水からの水回収、発酵液や廃液からの有価物の回収、等々の液体処理分野、空気からの酸素富化や窒素富化、天然ガスからのヘリウムの回収、石油の３次回収での炭酸ガスの分離等のガス分離分野等の幅広い分野で広く利用されるにいたっている。
【０００３】
流体分離膜は、その分離対象および分離メカニズムに基づき、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜等の液体分離膜、または、酸素富化膜、窒素分離膜、炭酸ガス分離膜等のガス分離膜等に分類される。一方、流体分離膜の形態に着目すると、中空糸膜、管状膜、平膜、スパイラル膜等に分類される。本発明においては液体分離膜のうち、とくに内圧式中空糸型液体分離膜についての発明である。なお、以降、本発明において、特に断りのない限り、膜モジュールとは、内圧式中空糸型液体分離膜を配管を接続することにより使用可能な状態に組み立てたもののことを指すものとする。
【０００４】
近年、限外濾過膜および精密濾過膜による膜濾過法を浄水処理における除濁手段として活用する動きが世界的に高まっている。従来浄水処理に汎用されてきた砂濾過法に比べて濾過精度が高く、クリプトスポリジウム等の耐塩素性を有する病原性原虫等の除去性が高い点等が高く評価されていることがその一因と考えられる。膜濾過法の更なる普及に向けて、設備コストと運転コストの低減が求められており、このような要求に応えるため、膜モジュールおよび膜濾過システムに種々の改良が進められている。例えば運転コストを低減するためには、運転圧力あたり透水量を増加させること、供給水量に対する生産水量の比率すなわち回収率を向上させること、薬洗頻度を低減させること、膜寿命を延長させること、等が有効であると考えられる。また、設備コストの低減については、膜モジュール体積あたりの透水量を増加させること、膜モジュールを大型化すること、等が有効であると考えられる。
【０００５】
このような背景から、従来、膜モジュールの改良として、膜モジュールの大型化と膜面積あたり透過水量の向上が進められてきた。しかしながら、これにより、膜モジュール内の透過水流動に関する圧力損失が増大して運転圧力あたり透水量が低下、膜モジュール内の逆洗液流動に関する圧力損失が増大して洗浄効率が低下しそれを補うため洗浄液量の増大と回収率の低下、逆洗時に逆洗液入口から遠い部分の逆洗圧力が低下してその部分が十分に洗浄されず逆洗不均一となりそれを補うための洗浄液量の増大と回収率の低下あるいは膜寿命の低下または薬洗頻度の増大、といった問題点が顕在化してきた。これらの問題点を解決するのに有用と思われる下記のような技術が、特許文献に開示されている。
【０００６】
特許文献１には、毛管濾過膜の長手方向略全長に渡り、波型または穴の開いた二重壁からなる排出薄膜を設ける技術が開示されている。前記排出薄膜は、ケースの中心部にケース長軸方向に設けられた排出導管と接続され、透過水はこの排出導管を経てモジュールの外部に排出される。一方、排出薄膜は、逆洗時にはモジュール外に逆洗液を導入する逆洗液流路となる。この構成により、透過水の強い流れによる中空糸膜損傷を防ぐことができる上、排出パイプを設ける場合に比べて充填膜面積を増すことができ、モジュールの濾過能力を向上させることができる旨、記載されている。しかしながら、排出薄膜を排出導管に接続する構造をとっているため、部材点数が多くかつ構造が複雑で、生産性に劣るとの問題がある。また、断面扇形の排出薄膜の間隙に中空糸膜を均一かつ密に充填することは困雑であり、膜の充填密度を上げることができないため、コンパクト性に劣りまた生産性も劣る点で問題がある。
【特許文献１】特開２０００−２４６０６３号公報
【０００７】
特許文献２には、ケースの中央部に、少なくとも一部がネット状部分を有する筒状集水体を設け、これを介して透過水のモジュール外への排出および逆洗時の逆洗液のモジュール内への導入を行う技術が開示されている。ケースの外周面に透過水出口を備える膜モジュールにこの技術を適応する場合、集水体と透過水出口を連通する連絡流路が必要である。このため、モジュール内部構造が複雑となり、生産性に劣るとの問題が生じる。また、前記した集水体と透過水出口を連結する流路を形成するために、その部分に中空糸膜を充填することができなくなり、このため有効膜面積が減少し、コンパクト性にも欠けるものとなってしまう。
【特許文献２】特開２００５−２７０９４４号公報
【０００８】
特許文献３には、中空芯膜束をくびれ部を形成した保護筒内に設置する技術が記載され、この発明により、中空糸膜外側の流れが良くなり、かつ、安価にモジュールができる旨記載されている。しかしながら、くびれをつけた保護筒へ中空糸膜を充填する操作が煩雑かつ困難であり、生産性に劣るだけでなく、生産工程において中空糸膜を損傷させる恐れがあるとの問題を含んでいる。
【特許文献３】特開平１０−３３７４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。すなわち、本発明の目的は、第一に、透過時に透過水の流路となる透過液室における圧力損失が低く、逆洗時に逆洗液の流路となる透過液室における圧力損失が低く、なおかつ膜モジュール全体が均一に洗浄される、エネルギー効率が高く長寿命の内圧式中空糸型液体分離膜モジュールを提供することにある。第二に、第一の課題を解決しておりながら、構造的に簡素で生産性に優れる内圧式中空糸型液体分離膜モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記二つの課題を同時に解決できることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
（１）  外周面に一つまたは複数の透過水出口を備える筒状ケースを備え、
前記筒状ケース内に中空糸膜束を備え、
前記中空糸膜束は、その両端部において中空糸型分離膜相互間および中空糸型分離膜と前記筒状ケースの間隙が封止され、前記筒状ケースの両端部で中空糸型分離膜内腔部が開口されており、
前記中空糸膜束と前記筒状ケースとの間隙である断面略環状の空間からなり、前記透過水出口と連通する透過液室を備え、
前記透過液室出口における筒状ケースの内径をＤｃ、前記中空糸型分離膜の束の外径をＤｂ、前記中空糸膜の有効長をＬｅ、前記透過水出口のうち同時に使用する透過水出口の数をＮ、としたとき、下記式（１）
Ｒ＝（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎ／（Ｄｃ２−Ｄｂ２）／Ｄｃ１／３    ・・・（１）
によって定義される流路幅係数Ｒが２以上１０以下であることを特徴とする内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
（２）  前記流路係数Ｒが３以上９以下である（１）の内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
（３）  前記透過水出口の中心を含み前記ケースの長軸と直行する断面における前記透過液室について、前記透過水出口側の幅をＬｆ、前記透過水出口の反対側の幅をＬｂとしたとき、Ｌｆ／Ｌｂ＞１であることを特徴とする（１）または（２）に記載の内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
（４）  前記透過液室の幅が、Ｌｆ／Ｌｂ≧１．５である（１）〜（３）いずれかに記載の内圧式中空糸型液体分離膜モジュール。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、運転圧力および逆洗圧力を低減することが可能となり、エネルギー効率が向上する。また、逆洗時、膜全体を均一に洗浄できるので、逆洗時間低減、逆洗液使用量低減、逆洗間隔延長、膜寿命延長が可能となり、運転の際のエネルギー効率を向上させ、運転コストを低減させる効果がある。さらに、膜モジュールの内部構造が単純になるので膜モジュールの製造コストが低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ここで、内圧式中空糸型液体分離膜モジュールを用いて表流水や地下水から浄水を得る場合を例にとって説明を行う。
【００１３】
図１は、透過水出口１１０がケースの軸方向に対して端部付近に１つある場合の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの全体を示す模式図である。この膜モジュールは、円筒状のケース１００と、その軸方向の端部を塞ぐ一対のキャップ２００，３００とを備え、ケース１００とキャップ２００，３００は締結手段７００によって締結されている。ケース１００の内部には、中空糸膜保護筒４２０に包まれた多数の中空糸膜４１０からなる外周の断面外径が円形である中空糸膜束４００がケースの軸方向に延びるように配置されている。中空糸膜保護筒４２０の外周面は、膜間差圧に比べて無視できる程度に小さな通水抵抗で通水可能な網状または多数の穴の開いた壁状となっている。中空糸膜４１０によって原水がろ過され、水の浄化が行われる。各中空糸膜４１０の上端部及び下端部は封止樹脂５００によりケース本体１００に封止固定されている。すなわち、中空糸膜４１０の相互間隙および中空糸膜４１０とケース１００の内壁面との間隙に封止樹脂５００が充填され、これによって中空糸膜４１０は液密に固定されている。中空糸膜４１０は、その上下両端が開口された状態で、上端部及び下端部のみが封止樹脂５００で固定されており、それ以外の中間部分が浄水機能を果たす。透過液室８００は、ケース１００と中空糸膜束４００の間隙である断面略環状の空間からなり、その上下端は上端部および下端部の封止樹脂５００で区切られている。透過液室８００の上端部付近には透過水出口１１０が形成されている。一方、各キャップ２００，３００は鏡板状のキャップ本体２１０，３１０からなり、各々開口２２０、３２０が形成されている。透過液室の上端付近にはエア抜き口１２０（非図示）が形成されていてもよい。また、透過液室の下端付近にはドレン口１３０（非図示）が形成されていても良い。
【００１４】
膜濾過をクロスフローで行う場合および逆洗する場合の水の流れを図３および図４で説明する。図３に示すように、加圧された原水は開口２２０を介して中空糸膜の内側に供給され、原水の一部または全量は中空糸膜を透過して透過水出口１１０から膜モジュールの外部に流出しこれが生産水となり、残りは開口３２０から膜濾過されないまま膜モジュールの外部に流出する。原水には種々の夾雑物質が含まれるため、膜濾過を継続すると前記夾雑物質が膜面に蓄積して膜濾過抵抗を上昇させる。前記夾雑物質を除去し膜濾過抵抗が上昇していくことを防ぐために数十分〜数時間の間隔で定期的に逆洗を行うことが一般的である。その際には、透過水出口１１０は逆洗液入口として機能し、図４に示すように、透過水出口１１０から清浄な水または塩素等の酸化剤や酸、アルカリ、界面活性剤またはこれらの混合物等の適切な洗浄剤を含む清浄な水を加圧供給し、開口２２０、３２０の一方または双方から排出する。逆洗流量は、膜濾過抵抗の上昇具合や夾雑物質の量と種類、逆洗時間、洗浄液の種類等の条件によりに適切に調整され、逆洗を効率よく行うために、生産水の流量の１．５〜５倍程度とすることが一般的である。透過水出口１１０から流入する大流量の洗浄液の直撃により透過水出口１１０の正面部分の中空糸膜に大きな力がかかり、中空糸膜に破損を生じることがないように、透過水出口１１０に分散板６００を設置している。図２に分散板６００の好ましい実施態様の一例の斜視模式図を示した。なお、逆洗液に含まれる洗浄剤が生産水に混入することが好ましくない場合には、清浄な水によるすすぎや初期濾過水の廃棄等の操作により、生産水に洗浄剤が混入することを防ぐことができる。
【００１５】
本発明の発明者らは、当初、図１と同様の構造の膜モジュールにおいて、中空糸膜保護筒４２０の外周をケース１００の内周に接触させて試作膜モジュールの作成を行なったところ、使用した中空糸膜の透水性能に対して試作膜モジュールの透水性能が極端に劣ったものとなることを経験した。後述する比較例１はそのような状況の例である。この現象について種々の検討を加えたところ、透過水出口から遠い位置の中空糸膜外側の圧力が供給圧力と大差ないほど高くなっており有効膜間差圧が小さくなっていることが判明した。中空糸膜束の内部には高密度で中空糸膜が充填されているため中空糸膜束内を透過水が流動するには大きな圧力損失が生じ、中空糸膜束の外側についてもケースとの間隙はごく狭く、やはり透過水の流動に対して大きな圧力損失が生じたものと考えられた。以上のような考察に基づき、本発明者らは、充填膜量を減らしてでも膜モジュールの軸方向に延びる透過液室を形成し透過水流路を確保することが有利であることに想到し、さらに検討を進めた結果、ケースおよび中空糸膜束の寸法が特定の関係にある場合に優れた膜モジュールが得られることが明らかになった。すなわち、種々の寸法の膜モジュールを試作し、それらについて運転圧力と膜間差圧の関係について検討したところ、新たに設定したパラメータである流路幅係数Ｒが特定の範囲の値である膜モジュールが、前記した課題を解決することを見い出した。
【００１６】
ケース内径Ｄｃに対して中空糸膜束外径Ｄｂが過大であると、透過液室における流動抵抗が大きい等の問題が生じて不適切であるが、このとき流路幅係数Ｒは大きくなる。一方、ケース内径Ｄｃに対して中空糸膜束外径Ｄｂが過小であると、透過液室における流動抵抗は小さいものの有効膜面積が小さく充分な透水量を得ることができないとの問題が生じるが、このとき流路幅係数Ｒは小さくなる。また、透過水出口の数あたりの中空糸膜の有効長Ｌｅ／Ｎが大きい場合にはそれに応じて透過液室の流路幅を大きくする必要があり、逆にＬｅ／Ｎが小さい場合にはそれに応じて透過液室の流路幅を小さくしないとモジュール体積あたりの生産効率が悪くなるが、流路幅の設定の指標として流路幅係数Ｒを使用することができる。流路幅係数Ｒは、２以上１０以下であることが好ましく、３以上９以下であればさらに好ましい。
【００１７】
さて、流路幅係数Ｒ＝（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎ／（Ｄｃ２−Ｄｂ２）／Ｄｃ１／３という式が何を意味するものであるかについて、３つの部分に分けて説明する。第一に、（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎは透過水出口１個あたりの透水量と関連する値である。Ｌｅ×Ｄｂ２は中空糸膜束の液体分離に有効な部分の体積に比例する。これを、同時に使用する透過水出口の数Ｎで除した（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎは、透過水出口１個当たりの中空糸膜束の液体分離に有効な部分の体積である。中空糸膜束内の有効膜面積は、膜束の体積と中空糸膜の内外径および膜束内充填率との関数であり、したがって（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎは透過水出口１個当たりの有効膜面積の関数であることがわかる。流体分離膜モジュールの運転条件の設定や運転挙動の解析には、有効膜面積あたりの透過量によって設定しあるいは解析することが汎用されていることから、（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎが透過水出口１個あたりの透水量と関連する値であることが理解できる。第二に、Ｄｃ２−Ｄｂ２は中空糸膜束外形が円形であれば透過液室断面積に比例する値であり、中空糸膜束外形が円形でない場合においても透過液室断面積に近似的に比例する値である。したがって、透過水の流動抵抗と関連があることが理解できる。第３に、Ｄｃ１／３はケース内径Ｄｃが異なる場合についても流路幅係数Ｒが共通の範囲で前記した課題を解決できる膜モジュールとするための調整係数であり、単に（Ｌｅ×Ｄｂ２）／Ｎ／（Ｄｃ２−Ｄｂ２）とするとケース内径Ｄｃが異なるとずれてしまう好適な数値範囲を調整する。なお、同時に使用する透過水出口の数Ｎとは、生産水を得るための定常的な透過運転中に透過水出口として用いる透過水出口の数をいい、エア抜きやドレンにのみ用いる開口部は含めない。
【００１８】
本発明における中空糸膜束の断面外形は、略円形である。本発明における略円形の範囲は、円形、楕円形、辺の数が６以上の正多角形、前記正多角形の角を丸めたもの、を含むものとする。中空糸膜束の断面外径が略円形であれば、ケース内に無駄な空間が生じず、中空糸膜の充填効率を高くとることができるので好ましい。また、あらかじめこれらの断面外径のいずれかの形状で中空糸膜束を形成しておき、端部接着部や透過水出口対向部で透過水出口側の透過液室の流路幅が広くなるように中空糸膜束を押しながら端部接着を行うと、中空糸膜束外形の一部を歪ませた形状となるが、これも好ましい中空糸膜束の断面外形として挙げられる。中空糸膜束の形状を円形、楕円形およびこれらの一部を歪ませた形状とすることは、中空糸膜束の製造工程を簡略且つ再現性の高いものとする観点から特に好ましい。
【００１９】
中空糸膜束の外径Ｄｂは以下のように定める。図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施態様の一例における、前記円筒状ケースの長軸に対して垂直でありかつ特定の透過水出口の中心を含む断面における断面図である。左記断面上において、
1)  前記ケースの中心を原点とし、前記特定の透過水出口の中心を結ぶ補助線１００１を想定する。前記原点から前記特定の透過水出口の中心を向く方向を０°とする。
2)  前記補助線１００１上における中空糸膜束断面外形の直径をＤｂ（１）とする。
3)  補助線１００１と直行する補助線１００３を、中空糸膜束径が最大投影長さＤｂ（３）となる位置にとる。
4)    補助線１００１と補助線１００３の交点を通るように０°方向から右回りに４５°および１３５°方向に補助線をとり、それぞれ補助線１００２、１００４とする。補助線１００２、１００４上の中空糸膜束の直径をそれぞれＤｂ（２）、Ｄｂ（４）とする。
5)  以下の式により、Ｄｂを算出する。
Ｄｂ＝{Ｄｂ（１）＋Ｄｂ（２）＋Ｄｂ（３）＋Ｄｂ（４）}／４    ・・・（２）
但し、中空糸膜束の断面外形が円形であれば、その直径をＤｂとする。また、前記円筒状ケースの長軸に対して垂直でありかつ前記特定の透過水出口の中心を含む断面上における中空糸膜束の外形と、モジュール端面における中空糸膜束の外形が同じである場合には、モジュール端面において上記と同様の測定を行うこととする。また、いずれの場合においても、中空糸膜束が網状体等の透水性素材で覆われている場合には、中空糸膜束径ＤｂおよびＤｂ（１）〜Ｄｂ（４）は左記透水性素材の厚みを含めずに測定した値とする。
【００２０】
また、ケース内径Ｄｃは、前記補助線１００１上におけるケース内径とする。
【００２１】
同時に使用する透過水出口１１０が複数ある場合には、各々の透過水出口についてRを算出し、その平均値が２以上１０以下であることが好ましく、３以上９以下であればさらに好ましい。
【００２２】
ここで、前記中空糸膜束４００は、複数の中空糸型分離膜の小束から構成されていても差し支えない。前記小束の断面外形は、円形、楕円形、多角形、扇形等、いかなる形状であっても差し支えない。また、前記小束の相互間に隙間（以下、小束間隙間と呼ぶ）が形成されていても差し支えない。前記小束間隙間が形成されている場合には、前記小束間隙間も、中空糸膜束外周とケース内面の間隙である透過液室８００と共同して、透過水および逆洗水の流路として機能し、中空糸膜束内の流動圧損を低減する効果がある。前記小束間隙間を設けることは前記中空糸膜束の外径が大きい場合に効果的であり、前記中空糸膜束の外径が１００ｍｍ以上の場合に特に効果的が高い。前記小束間隙間には透水性の充填体が充填されていてもよく、そのような実施態様は、透過水および逆洗水の高流速での流動があっても小束の変形による前記小束間隙間の閉塞が起こらず、流動圧損効果が確実に発揮されるので好ましい。
【００２３】
前記小束間隙間に透水性充填体を充填する場合、必ずしも小束間隙間全体に充填する必要はない。一部充填であっても良く、特に透過水出口から遠い部分等、透過水および逆洗液の流量の小さい部分では充填体が充填されていなくてもよい。左記透水性の充填体は、ケース軸方向最大長さが中空糸膜有効長の６０％以上かつケース長さ以下であり、かつ透過液室と連通することが好ましい。左記充填体としては、網状シートの積層体や、空孔率が高く空孔径も大きい立体網目状体を好適な例として挙げることができる。例えば、厚さ０．５〜５ｍｍ程度の網状シートを積層したものや、線径０．５〜５ｍｍ程度の多数の屈曲した糸状体がその接触部で相互に結合した構造からなる立体網目状体が挙げられる。
【００２４】
透過液室８００には、透過水および逆洗水の流動抵抗を大きく増やさない範囲において、その一部または全体に透水性の充填体が充填されていてもよい。透過液室８００に透水性充填体を充填する場合、必ずしも透過液室全体に充填する必要はない。一部充填であっても良く、特に透過液出口１１０から遠い部分等、透過液および逆洗液の流量の小さい部分には充填されていなくてもよい。また、透過液出口１１０の直近部分は充填体が充填されていないか、あるいは特に透水性の低い充填体を用いることが好ましい。この部分の流路断面積あたり流量は膜モジュール内の他の部分に比べて特別に高いため、この部分の流動抵抗を低減させることは透過液室の流動圧損低減に効果が高いからである。透過液室透水性充填体は、その長さがケース端部から透過液出口までの距離の６０％〜１００％であり、かつ透過液室と連通するように設置することが好ましい。透過液室充填体としては、網状シートの積層体や、空孔率が高く空孔径も大きい立体網目状体を好適な例として挙げることができる。例えば、厚さ０．５〜５ｍｍ程度の網状シートを積層したものや、線径０．５〜５ｍｍ程度の多数の屈曲した糸状体がその接触部で相互に結合した構造からなる立体網目状体が挙げられる。また、透過液室充填体に剛性の高いものを用いると、膜モジュールを大流量で運転する際、中空糸膜束の変形を抑制する効果があり、好ましい。
【００２５】
さらに、図１では透過水出口１１０の位置がケース１００の端部付近にある場合を示したが、図７および図８の実施態様に示したように透過水出口１１０はケース１００の長さ方向中央付近にあっても良い。また、図７および図８の実施態様の一例においては、透過液室８００の上端付近にエア抜き口１２０、透過液室８００の下端付近にはドレン口１３０を設けている。膜モジュールの運転を立ち上げる際等、透過液室８００内に空気がある場合、エア抜き口１２０を開きドレン口１３０を閉じて原水の供給を開始すると透過液室８００内の空気が透過水によって追い出され、次いでエア抜き口１２０を閉じて膜濾過運転を開始する。また、膜モジュールを膜濾過装置から脱着する際等、透過液室８００内の液体を排出したい場合、エア抜き口１２０を開きドレン口１３０を開くと、エア抜き口１２０から透過液室に空気が流入し、透過液室８００内の液体が排出される。
【００２６】
ケース内の透過水の流量分布について考えると、透過水は膜モジュールからの出口がある透過水出口側に集まるので、この近傍の流量が最大となる。したがって、中空糸膜束の中心をケース中心から透過水出口と反対側に偏心させる、ケース内径を変化させ透過水出口付近を太くする、等の方法によっても透過水出口近傍の流路断面積を拡大し、流動抵抗を低減することが可能であり、本発明において、このような対応を併用することは好ましい。図８の実施態様は、中空糸膜束４００の中心軸をケース１００の中心軸から透過水出口１１０と反対側に偏心させた場合の模式図であり、図９の実施態様は、ケース内径を変化させ透過水出口１１０付近を太くした場合の模式図である。
【００２７】
本発明においては、透過水流路として機能する透過液室８００の流路幅Ｌｆ、Ｌｂを以下のように規定する。図６は、中空糸膜束４００の中心軸をケース１００の中心軸から透過水出口と反対側に偏心させた場合の実施態様の例における、図１のＡ−Ａ断面に相当する部分における横断面の模式図である。左記断面上において、
1)  前記ケース１００の中心を原点とし、前記特定の透過水出口１１０の中心を結ぶ補助線１００１を想定する。前記原点から前記特定の透過水出口の中心を向く方向を０°とする。
2） ケース１００と中空糸膜束４００の隙間の幅のうち、０°方向における幅をＬｆ、１８０°方向における幅をＬｂとする。
但し、前記円筒状ケース１００の長軸に対して垂直でありかつ特定の透過水出口１１０の中心を含む断面上における中空糸膜束４００の外形と、モジュール端面における中空糸膜束４００の外形が同じである場合には、モジュール端面において上記と同様の測定を行うこととする。また、いずれの場合においても、中空糸膜束が網状体等の透水性素材で覆われている場合には、前記透水性素材の厚みは中空糸膜束とケースの隙間の幅に含めるものとする。
【００２８】
Ｌｆ／Ｌｂが１をわずかでも超えていれば、多少なりとも偏心の効果を奏するが、はっきりした効果を得るにはＬｆ／Ｌｂが１．５以上であることが好ましく、２以上であればさらに好ましい。一方、透過水出口１１０の反対側の中空糸膜束は、ケース内周と接触していても差し支えないので、Ｌｆ／Ｌｂの上限は無限大である。但し、Ｌｆをみだりに大きくすることは、膜モジュール内に充填できる中空糸膜量を減らすことにつながるので得策ではなく、この点を考慮するとＬｆはケース内径Ｄｃの２０％以下とすることが好ましく、１０％以下にすることがさらに好ましい。
【００２９】
本発明におけるケース１００は、その内部に液体分離膜が充填される略円筒状の容器であり、その外周面には少なくとも一つの透過水出口１１０を有する。左記透過水出口１１０は流体の出入口として機能する。液体分離膜の使用状態においては、ケースの両端は、キャップと結合され、あるいはケースと一体の底部が形成される。左記キャップまたはケースと一体の底には、開口が形成されていてもよい。ケースおよびキャップの材質は特に限定されないが、塩化ビニル樹脂、ポリスルホン樹脂等のエンジニアリングプラスチック、ガラス繊維強化樹脂等の各種強化樹脂、ステンレス鋼等の耐蝕性金属材料が好適である。ガラス繊維強化樹脂は、軽量かつ耐蝕性に優れ、液体分離膜封止樹脂との接着性も良好であり、ケースの材質として特に好ましい。ステンレス鋼は強度と耐食性に優れ、外部配管との接続が容易なことからキャップの材質として特に好ましい。ケースおよびキャップには機能上あるいは意匠上の要求により、凹凸や彩色が施されていても差し支えない。
【００３０】
また、本発明におけるキャップ２００、３００は、鏡板を構成要素として備えることが好ましい。鏡板には、皿型、正半楕円体型、近似半楕円型、半球型、平鏡型等、種々の種類があるが、いずれの形であってもよい。鏡板を構成要素として備えることにより、単純な底つき円筒型とする場合に比べて肉厚を薄くすることができ、軽量化およびコストダウンが可能である。
【００３１】
本発明におけるケース１００とキャップ２００、３００の締結方法は、特定の方式に限定されない。螺合であってもよく、あるいはケースとキャップに設けたフランジをボルトとナットあるいはスイングボルトとナットによって締結してもよい。また各種管継手によって接続することも可能であり、Ｖバンドカップリング、ヴィクトリックジョイント、ストラブカップリング（登録商標）は好適な締結方法の例である。
【００３２】
本発明における中空糸型分離膜の材質は特に限定されない。膜の材質の好適な例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、酢酸セルロース等の有機高分子化合物およびこれらを含む共重合体、混合物、変成物を挙げることができ、また、セラミック膜であっても良い。また、中空糸型分離膜の分離モードは、特に限定されない。逆浸透膜、ナノ濾過膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜等、どのような分離モードであっても良い。
【００３３】
以上、本発明の実施態様の例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３４】
また、液体分離膜モジュールが内圧式中空糸膜からなる浄水膜モジュールであり、クロスフローろ過方式で運転する場合を例に以上の説明を行ったが、全量ろ過方式で運転する場合に対しても、本発明は同様に適用できる。また、その用途についても浄水処理に限定されるものではなく、廃水処理や海水淡水化逆浸透膜の前処理等液体分離膜の用途の異なるものに等についても、同様に適用できる。
【実施例】
【００３５】
以下に実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００３６】
（中空糸膜の製造方法および中空糸膜の透水性能の測定方法）
ポリエーテルスルホン（住友化学工業製、スミカエクセル（登録商標）４８００Ｇ）とポリビニルピロリドン（日本触媒製、Ｋ−３０）をジメチルアセトアミドとトリエチレングリコールの混合液に加温・溶解し、紡糸原液とした。二重管ノズルの外側スリットから左記紡糸原液を、同時に二重管ノズルの内管からジメチルアセとアミドとトリエチレングリコールの水溶液を吐出させ、空中走行部を経た後、ジメチルアセトアミドとトリエチレングリコールの水溶液からなる凝固浴に導いて固化させた。水洗と熱水洗浄を行い、熱風乾燥機で乾燥し、内径０．８ｍｍ、外径１．４ｍｍの中空糸膜を得た。水温２５℃における水透過流束の膜間差圧０外挿値は、３０ｍ３／ｍ２／ｄ／１００ｋＰａであった。
【００３７】
（中空糸膜束の製造）
前記した中空糸膜を用いて、長さ１．２ｍの中空糸膜の束を作り、束の外周部をポリエチレン製網状体（厚さ１．５ｍｍ）で覆い、所定の外径とした。ここで用いた中空糸膜の本数は、中空糸膜束内充填率が一定となるように調整した。ここで中空糸膜束内充填率とは、中空糸膜束断面における、中空糸膜束断面積に対する中空糸膜内腔部も含む中空糸膜の断面積の総和の割合で、中空糸膜外径をＯＤ、充填中空糸膜本数ｎとしたとき、（ＯＤ２×ｎ）／Ｄｂ２×１００（％）で表される。
【００３８】
（膜モジュールの製造）
一方のケース端部から１３０ｍｍの位置に中心を有する透過水出口を備える、長さ１０６６ｍｍの略円筒状のケースに、前記網状体で覆われた中空糸膜束を挿入した。両端部をウレタン樹脂接着剤で接着して中空糸膜相互間およびケースと中空糸膜の間隙を封止し、次いで、ケース端部からはみ出した部分を切り落として中空糸膜を開口させた。中空糸膜の有効長（封止部に埋もれていない部分の長さ）は８９０ｍｍであった。ケースの両端部にキャップを、透過水出口に分散板を装着し、膜モジュールとした。
【００３９】
（膜モジュールの透水性能の測定方法）
膜モジュールの透水性能の測定に使用した装置の概略フロー図を図１０に示した。水温２５±１℃に調整し、流量調整バルブ２１０１，２１０２，２１０３の調整により流量および圧力を調整し、全量濾過運転を行った。その際、供給水温、透過水流量および運転圧力を測定した。供給水には水道水を逆浸透膜に透過させた水を用いた。膜間差圧Ｐは、圧力計２２０１，２２０２，２２０３における圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対し、Ｐ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／２−Ｐ３とした。
【００４０】
（実施例１〜３および比較例１〜３）
ガラス繊維強化樹脂からなるケース（ケース内径Ｄｃ＝３００ｍｍ）を用い、断面外形が円形で中空糸膜束内充填率５６．４％、中空糸膜束外径Ｄｂ＝２３０〜２９７ｍｍである６本の膜モジュールを製作した。各々について、透過流量２０ｍ３／ｈｒを得るのに必要な膜間差圧を測定した。
中空糸膜束外周の網状体がケース内径に接触する状態となる中空糸膜束外径Ｄｂ＝２９７ｍｍの場合（比較例１）、流路幅係数Ｒ＝６５．５であり、膜間差圧２００ｋＰａとしても透過水量は２０ｍ３／ｈｒに達せず、極端に効率が悪かった。これに対し、中空糸膜束外径Ｄｂ＝２５０，２７０，２８０ｍｍの場合（実施例１，２，３）、流路幅係数Ｒはそれぞれ３．０，５．７，９．０であり、膜間差圧は４４，４０，４５ｋＰａであった。比較例１に比べて大幅に改善されているのみならず、後述する比較例２，３と比べても低い膜間差圧で同じ透過水量を得られており、エネルギー効率が高かった。一方、中空糸膜束外径Ｄｂ＝２３０，２９０ｍｍの場合（比較例２，３）、流路幅係数Ｒはそれぞれ１．９，１９．０であり、膜間差圧は５１，８９ｋＰａと実施例１〜３に比べて高い膜間差圧を要し、エネルギー効率が低かった。テスト結果を表１と図１１にまとめた。
【００４１】
【表１】
2008221108.tif 000003
【００４２】
（実施例４，５および比較例４，５）
硬質塩化ビニル樹脂からなるケース（ケース内径Ｄｃ＝１５０ｍｍ）に、断面外形が円形で中空糸膜束内充填率５４．２％、中空糸膜束外径Ｄｂ＝１１０〜１４２ｍｍ、Ｌｆ／Ｌｂ＝１とし、テストモジュールを製作した。各々について、透過流量５ｍ３／ｈｒを得るのに必要な膜間差圧を測定した。
中空糸膜束外径Ｄｂ＝１２５，１３８ｍｍの場合（実施例４，５）、流路幅係数Ｒはそれぞれ３．８，９．２であり、膜間差圧は４５，５０ｋＰａであった。後述する比較例４，５と比べて、低い膜間差圧で同じ透過水量を得られており、エネルギー効率が高かった。一方、中空糸膜束外径Ｄｂ＝１１０，１４２ｍｍの場合（比較例４，５）、流路幅係数Ｒはそれぞれ１．９，１４．５であり、膜間差圧は５６，７３ｋＰａであった。実施例４，５に比べて高い膜間差圧を要し、エネルギー効率が悪かった。このとき、テスト結果を表２と図１２にまとめた。
【００４３】
【表２】
2008221108.tif 000004
【００４４】
（実施例６、７）
実施例１において、中空糸膜束の位置のみをずらしてＬｆ／Ｌｂを変更し、テストモジュールを製作した。流路幅係数Ｒはいずれの場合も９．０である。
実施例１と同様に、透過流量２０ｍ３／ｈｒを得るのに必要な膜間差圧を測定したところ、Ｌｆ／Ｌｂ＝１．９，３の場合（実施例４，５）、膜間差圧は４２，４１ｋＰａであった。前記した実施例１と比べて、さらに低い膜間差圧で同じ透過水量を得られており、エネルギー効率がさらに高くなった。テスト結果を表３と図１３にまとめた。
【００４５】
（実施例８）
実施例１において、さらに透過水出口から分散板を用いて中空糸膜束を押し、Ｄｂ＝２８０ｍｍ、Ｌｆ／Ｌｂ＝２とした。流路幅係数Ｒは９．０である。実施例５と同様に、透過流量２０ｍ３／ｈｒを得るのに必要な膜間差圧を測定したところ、膜間差圧は４２ｋＰａであり、実施例１に比べてさらに改良が認められた。テスト結果を表３にまとめた。
【００４６】
【表３】
2008221108.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る液体分離膜モジュールによれば、運転圧力の低減が可能となり、運転コストの低減およびエネルギー効率の向上が可能である。また、逆洗に際して洗浄液が膜モジュール全体を均一に洗浄できるので、薬洗頻度の低減および膜寿命の延長効果がある。これらの効果により、液体分離膜装置のユーザーにとって有益である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの模式図である。図１（ａ）は膜モジュール全体の模式図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面における模式図である。
【図２】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールで用いられる分散板６００の実施態様の一例の斜視模式図である。
【図３】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの濾過時の水の流れを示す模式図である。
【図４】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの逆洗時の水の流れを示す模式図である。
【図５】本発明におけるＤｂおよびＤｃを決定する手順を説明するための模式図である。
【図６】本発明におけるＬｆおよびＬｂを決定する手順を説明するための模式図である。
【図７】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの模式図である。図７（ａ）は膜モジュール全体の模式図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面における模式図である。
【図８】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの模式図である。図８（ａ）は膜モジュール全体の模式図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面における模式図である。
【図９】本発明の実施態様の一例の内圧式中空糸型浄水膜モジュールの模式図である。図９（ａ）は膜モジュール全体の模式図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面における模式図である。
【図１０】本発明の実施例および比較例にて膜モジュールの透水性能測定を行った装置の概略フロー図である。
【図１１】本発明の実施例１〜３および比較例２、３における流路幅係数Ｒと透過流量２０ｍ３／ｈｒを得るのに要した膜間差圧の関係をグラフ化したものである。
【図１２】本発明の実施例４、５および比較例４、５における流路幅係数Ｒと透過流量５ｍ３／ｈｒを得るのに要した膜間差圧の関係をグラフ化したものである。
【図１３】本発明の実施例１および実施例６〜８におけるＬｆ／Ｌｂと透過流量２０ｍ３／ｈｒを得るのに要した膜間差圧の関係をグラフ化したものである。
【符号の説明】
【００４９】
１００：ケース
１１０：透過水出口
１２０：エア抜き口
１３０：ドレン口
２００：下側キャップ
２１０：下側キャップ本体
２２０：下側キャップ開口
３００：上側キャップ
３１０：上側キャップ本体
３２０：上側キャップ開口
４００：中空糸膜束
４１０：中空糸膜
４２０：中空糸膜保護筒
５００：封止樹脂
６００：分散板 
６１０：分散板遮蔽部
６２０：分散板固定部
６３０：分散板支持部
７００：締結手段
８００：透過液室
１００１、１００２、１００３、１００４：補助線
２００１：供給水タンク
２００２：温度調節装置
２００３：撹拌機
２００４：供給ポンプ
２００５：膜モジュール
２１０１，２１０２，２１０３：流量調節バルブ
２２０１，２２０２，２２０３：圧力計
２３０１：流量計
【図１】
2008221108.tif 000006
【図２】
2008221108.tif 000007
【図３】
2008221108.tif 000008
【図４】
2008221108.tif 000009
【図５】
2008221108.tif 000010
【図６】
2008221108.tif 000011
【図７】
2008221108.tif 000012
【図８】
2008221108.tif 000013
【図９】
2008221108.tif 000014
【図１０】
2008221108.tif 000015
【図１１】
2008221108.tif 000016
【図１２】
2008221108.tif 000017
【図１３】
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