(57)【要約】【課題】特に低圧操作で問題となる、中心管の有孔部の近傍における圧力損失を低減できるスパイラル型分離膜エレメントを提供する。【解決手段】分離膜１、供給側流路材２、及び透過側流路材４を、供給側流路材２が分離膜１の供給側に透過側流路材４が透過側に介在するように、その透過側流路材４と同一又は異なる透過側流路材１０が有孔の中空管５の周囲に介在する状態で、有孔の中空管５にスパイラル状に巻回してあるスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記中心管５の有孔部の総面積にその中心管５の周囲の透過側流路材１枚分の開孔率を乗じて計算される有効有孔部面積が、前記中心管５の内側断面積の１．０倍以上であることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材を、供給側流路材が分離膜の供給側に透過側流路材が透過側に介在するように、その透過側流路材と同一又は異なる透過側流路材が有孔の中空管の周囲に介在する状態で、有孔の中空管にスパイラル状に巻回してあるスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記中心管の有孔部の総面積にその中心管の周囲の透過側流路材１枚分の開孔率を乗じて計算される有効有孔部面積が、前記中心管の内側断面積の１．０倍以上であることを特徴とするスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項２】
前記中心管の周囲に介在する透過側流路材の巻き数が、実質２〜１５回である請求項１記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【請求項３】
前記分離膜が、超低圧逆浸透膜、限外ろ過膜、又は精密ろ過膜である請求項１又は２に記載のスパイラル型分離膜エレメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中に浮遊及び溶存している成分を分離するスパイラル型分離膜エレメントに関し、特に、超低圧逆浸透ろ過、限外ろ過、又は精密ろ過などの低圧運転による膜分離に有効なスパイラル型分離膜エレメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパイラル型分離膜エレメントの構造としては、分離膜に透過側流路材又は供給側流路材を介在させた膜リーフの単数又は複数を、供給側流路材又は透過側流路材を介在させつつ、有孔の中空管にスパイラル状に巻回されたものが一般的であった。複数の膜リーフを巻回する場合、膜リーフの透過側流路材と同一又は別の透過側流路材を中空管の周囲に巻いてから膜リーフを中空管に巻回することにより、各膜リーフからの透過液が、中空管の周囲の透過側流路材を経て中空管の有孔部に流入し易くなるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなスパイラル型分離膜エレメントを設計する際、円管内の流速等と内径の関係から管内流動の圧損が決まるため、まず、集水管となる中心管を流れる透過液流量に応じた中心管の内径が決定されていた。次いで、有孔の中心管の有孔部の総面積が設定されるが、有孔部の総面積は中心管の内径と孔の大きさ等を考慮して、中心管断面積の２〜４倍程度が適切であるとされていた。
【０００４】
しかしながら、有孔部には、透過側流路材が巻回される構造では、その流路材１枚の開孔率は２０％程度と小さいため、実質的な有孔部面積は、想定していた面積よりかなり小さくなっていた。つまり、透過側流路材が１枚だけ中心管に巻かれているとしても、実質的な有孔部面積は、中心管内側断面積の１倍未満となり、これが透過側の抵抗となっていた。
【０００５】
このように、中心管の実質的な有孔部面積が小さいため、有孔部の近傍での圧損が大きくなっていたが、従来のスパイラル型分離膜エレメントは、操作圧が大きかったり（差圧０．５ＭＰａ以上）、透過水量が小さかったため、上記の如き透過側流路材断面を通過する際の圧損は、さほど問題にならなかった。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５６８１４６７号明細書（第２欄、図２）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の操作圧の低圧化及び透過水量増大により、その圧損は無視できなくなってきている。特に、低圧で運転する超低圧ＲＯ膜や除濁用スパイラル型分離膜エレメントでは、当該圧損の影響が大きな問題となる。
【０００８】
一方、中空管の周囲に巻付ける透過側流路材を１巻き程度にし、かつ開孔率の大きな透過側流路材を使用すれば、理論的には、有孔部の有効面積の低下をある程度小さくすることができる。しかし、現実には透過側流路材の開孔率を大きくすると、透過側流路材を中心管に巻回する際にその形状を維持できないという問題が生じるため、開孔率の増大には限界がある。また、透過側流路材を１巻き程度にすると、各々の膜リーフからの透過液が中空管の周囲の透過側流路材に沿って流れる際の流路面積が小さくなって、その部分の圧損が大きくなり、これも低圧操作の場合には現実的でない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、特に低圧操作で問題となる、中心管の有孔部の近傍における圧力損失を低減できるスパイラル型分離膜エレメントを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、中心管の有孔部の近傍における圧力損失に対する、透過側流路材の開孔率や巻き数、有孔部の孔径などの影響について鋭意研究したところ、ある程度巻き数が多くなると巻き数による圧損への影響は無視できる一方、複数巻く場合でも１枚の開孔率の影響が大きく、これと有孔部の総面積との積が、中心管の内側断面積に対して一定の倍率以上になると、有孔部近傍の圧損が下限に近づくことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、分離膜、供給側流路材、及び透過側流路材を、供給側流路材が分離膜の供給側に透過側流路材が透過側に介在するように、その透過側流路材と同一又は異なる透過側流路材が有孔の中空管の周囲に介在する状態で、有孔の中空管にスパイラル状に巻回してあるスパイラル型分離膜エレメントにおいて、前記中心管の有孔部の総面積にその中心管の周囲の透過側流路材１枚分の開孔率を乗じて計算される有効有孔部面積が、前記中心管の内側断面積の１．０倍以上であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によると、有効有孔部面積が中心管断面積の１．０倍以上であるため、透過側流路材の巻き数が複数の場合でも、有孔部近傍の圧損が下限に近づくので、特に低圧操作で問題となる、中心管の有孔部の近傍における圧力損失を低減できる。
【００１３】
上記において、前記中心管の周囲に介在する透過側流路材の巻き数が、実質２〜１５回であることが好ましい。これによって、各々の膜リーフからの透過液が中空管の周囲の透過側流路材に沿って流れる際の流路面積が適度に大きくなり、また、巻き数が多すぎることによる膜面積減少を抑制することができる。しかも、中心管有孔部の近傍での圧力損失を低減する本発明の効果を十分得ることができる。
【００１４】
また、前記分離膜が、超低圧逆浸透膜、限外ろ過膜、又は精密ろ過膜であることが好ましい。このような分離膜は、低圧操作されるため、前述のように中心管有孔部の近傍での圧力損失が問題となるところ、上記の如き作用効果を奏する本発明が特に有効となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例の巻回工程を示す説明図である。
【００１６】
本発明のスパイラル型分離膜エレメントは、図１（ｃ）に示すように、分離膜１、供給側流路材２、及び透過側流路材４を、有孔の中空管５にスパイラル状に巻回した構造を有する。巻回の際には、図１（ｂ）〜（ｃ）に示すように、供給側流路材２が分離膜１の供給側に、透過側流路材４が透過側に介在するように配置される。また、透過側流路材４と同一又は異なる透過側流路材１０が有孔の中空管５の周囲に介在するように、中空管５には先に透過側流路材１０が巻回される。
【００１７】
図１に示す例では、分離膜１が２つ折りにされてその間に供給側流路材２を介挿したものを、透過側流路材４を介在させつつ、透過側流路材１０の上に積層し、これを中空管５に巻回した構造を有する。また、このような一連の工程の何れかの段階で、透過側流路材４を挟み込む分離膜１の端辺や、分離膜１の最内周側の端部が封止され、分離膜１を隔てて供給側流路と透過側流路とが直接連通しないようにしてある。
【００１８】
本発明では、図１に示す構造に限らず、分離膜１として連続した膜を使用してもよく、透過側流路材４の１つを延長することで、巻き付け用の透過側流路材１０としてもよい。更に、各部の封止構造などについても、供給側流路と透過側流路とが直接連通しなければ何れの構造でもよい。
【００１９】
連続膜を使用する場合、例えば分離膜１が交互に折り返されて、分離膜１の各折り返し面の間に交互に供給側流路材２と透過側流路材４が介挿され、透過側流路材４が別の透過側流路材１０に櫛歯状に固着されたものが使用できる。
【００２０】
分離膜１の透過側に介在する透過側流路材４は、分離膜１のスペーサーとして分離膜１を透過した透過液を流動させる流路を確保する機能を有する。この透過側流路材４としては、スパイラル型膜エレメントとして従来公知の透過側流路材が何れも使用でき、ネット、メッシュ、線材織物、繊維織物、不織布、溝付きシート、波形シートなど何れでもよい。また、その材質もポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド、エポキシ、ウレタン等の樹脂の他、天然高分子、ゴム、金属など何れでもよい。但し、分離操作等の際に流路材からの溶出が問題となる場合、それを考慮して材質を選択するのが好ましい。
【００２１】
透過側流路材４の厚みは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましく、透過側流路材４の厚み方向における空隙率は１０％以上８０％以下であることが好ましい。また、透過側流路材４がネット状である場合、そのピッチが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
中心管５の周囲の透過側流路材１０は、各々の膜リーフからの透過液が中空管５の周囲の透過側流路材１０に沿って流れる際の流路を確保しつつ、透過側流路材１０の開孔を介して透過液を中心管５の孔５ａに流入させる機能を有する。従って、透過側流路材１０としては、前記の透過側流路材４と同一又は異なるものが使用できる。
【００２３】
具体的には、前記の透過側流路材４のうち、１枚の開孔率が２０〜５０％であるものが何れも使用でき、好ましい開孔率は３０〜４０％である。ここで、透過側流路材１０の開孔率は、透過側流路材１０を投影した投影面における開口面積の比率を求めた値を指す。従って、透過側流路材１０の形態としては、ネット、メッシュ、線材織物などが好ましい。また、透過側流路材４を透過側流路材１０に熱融着や超音波融着で固着する場合など、両者が同一の材料又は融着性のある材料となるように選択するのが好ましい。
【００２４】
中心管５の周囲に介在する透過側流路材１０の巻き数は、実質２〜１５回が好ましく、３〜１０回がより好ましい。２回未満では、各々の膜リーフからの透過液が中空管５の周囲の透過側流路材１０に沿って流れる際の流路抵抗が大き過ぎる傾向がある。
【００２５】
有孔の中空管５の材質としては、例えば金属、繊維強化プラスチック、プラスチックまたはセラミックスなどが挙げられる。中空管５の外径と長さは、スパイラル型膜エレメントのサイズに応じて適宜決定される。例えば外径１０〜１００ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍであり、好ましくは外径１２〜５０ｍｍ、長さ９００〜１２００ｍｍである。
【００２６】
本発明では、中心管５の有孔部の総面積にその中心管５の周囲の透過側流路材１０の１枚分の開孔率を乗じて計算される有効有孔部面積が、中心管５の内側断面積の１．０倍以上とする。中心管有孔部の近傍での圧力損失をより確実に低減する観点から、好ましくは有効有孔部面積が中心管５の内側断面積の２．０〜５．０倍の場合である。逆洗浄を行う用途では、通常のろ過流量の１．５〜２．０倍の水量となるため、特に２．０倍以上が好ましい。
【００２７】
従って、中空管５の孔の大きさ、個数などは、透過側流路材１０の開孔率や内側断面積との関係から、上記条件を満たすように決定される。なお、中空管５の孔の配置や形状は、従来と同様のものがいずれも採用できる。
【００２８】
供給側流路材２としては、スパイラル型膜エレメントとして従来公知の供給側流路材が何れも使用でき、ネット、メッシュ、線材織物、繊維織物、不織布、溝付きシート、波形シートなど何れでもよい。また、その材質もポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド等の樹脂の他、天然高分子、ゴム、金属など何れでもよい。
【００２９】
分離膜１としては、一般に低圧で操作される、超低圧逆浸透膜、限外ろ過膜、又は精密ろ過膜が好ましい。本発明は、操作圧力が０．５ＭＰａ未満となる用途において特に有効であり、例えば除濁用のスパイラル型分離膜エレメントには、限外ろ過膜、精密ろ過膜が好適に使用できる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。
【００３１】
試験例１
まず、中心管の周囲に巻回する透過側流路材の巻き数と、それによる圧力損失（中心管自体の圧損を含む）の変化を調べた。有孔の中心管の仕様は、外径２２ｍｍ，内径１６ｍｍ，孔径２，４，６ｍｍ，孔数４０個であり、開孔率が２０％の流路材厚みが０．２９ｍｍのポリエステル製ネットを０〜１２周巻き、スパイラル型分離膜エレメントに使われるべッセルに中心管をセットして、透過水流量１ｍ３  ／ｈでベッセルの中心管出口と入口管との圧力差（圧力損失）を測定した。その結果を図２に示した。
【００３２】
図２に示す結果より、透過側流路材を２回以上巻回した場合には、巻き数によって圧力損失の変化がほとんど無いことが判明した。
【００３３】
試験例２
有効有孔部面積／中心管内側断面積の比と、それによる圧力損失（中心管自体の圧損を含む）の変化を調べた。有孔の中心管の仕様は、外径２２ｍｍ，内径１６ｍｍ，孔径２，４，６ｍｍ，孔数４０個であり、開孔率が２０％の流路材厚みが０．２９ｍｍのポリエステル製ネットを１２周巻き、スパイラル型分離膜エレメントに使われるべッセルに中心管をセットして、透過水流量１ｍ３  ／ｈでベッセルの中心管出口と入口管との圧力差（圧力損失）を測定した。その結果を図３に示した。
【００３４】
図３に示す結果より、有効有孔部面積／中心管内側断面積の比が１．０以上の場合には、圧力損失の変化がほとんど無く、有孔部近傍の圧損が下限に近づくことが判明した。
【００３５】
実施例１
有孔の中心管の仕様は、外径２２ｍｍ，内径１６ｍｍ，孔径６ｍｍ，孔数４０個、開孔率が２０％の流路材厚みが０．２９ｍｍのポリエステル製ネットを８周巻き（有効有孔部面積が中心管内側断面積の１．１倍）、スパイラル型分離膜エレメントに使われるべッセルに中心管をセットして、透過水流量を変化させて、ベッセルの中心管出口と入口管との圧力差（圧力損失）を測定した。その結果を図４に示した。
【００３６】
比較例１
有孔の中心管の仕様は、外径２２ｍｍ，内径１６ｍｍ，孔径４ｍｍ，孔数４０個、開孔率が２０％の流路材厚みが０．２９ｍｍのポリエステル製ネットを８周巻き（有効有孔部面積が中心管内側断面積の０．５倍）、スパイラル型分離膜エレメントに使われるべッセルに中心管をセットして、透過水流量を変化させて、ベッセルの中心管出口と入口管との圧力差（圧力損失）を測定した。その結果を図４に示した。
【００３７】
実施例１と比較例１との対比より、本発明によると、特に低圧操作で問題となる、中心管の有孔部の近傍における圧力損失を低減できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパイラル型分離膜エレメントの一例の巻回工程を示す説明図
【図２】試験例１における透過側流路材の巻き数と圧力損失との関係を示すグラフ
【図３】試験例２における有効有孔部面積／中心管内側断面積の比と圧力損失との関係を示すグラフ
【図４】実施例１と比較例１とにおける圧力損失の違いを示すグラフ
【符号の説明】
１        膜
２        供給側流路材
４        透過側流路材
５        中空管
１０        透過側流路材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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